stack 與 heap

本集目標

理解 stack 和 heap 的差別，並揭秘第 1 集鑰匙圈比喻的真正含義。

概念說明

記憶體中兩個常見的位置

程式執行時，資料會被放在記憶體裡。這一集先來認識兩個常見的存放位置：stack 和 heap。

堆疊（stack）：

函數被呼叫時，通常會用 stack 存放大小在編譯時期就已知的區域變數。
到目前為止學過的整數、浮點數、布林值、char、長度固定的陣列、tuple，以及只包含這些資料的 struct，在作為區域變數時通常都直接放在 stack 上。
大小在編譯時期就已知的資料不一定很小；重點是編譯器事先知道需要保留多少空間。
函數結束時，這次呼叫使用的 stack 空間會一起收回。

堆積（heap）：

程式執行時，可以視需要另外取得 heap 空間。
當資料量在執行時期才知道，或可能隨著程式執行而增長時，資料通常會另外放在 heap 上。例如，如果程式需要存下使用者輸入的所有數字，事前可能不知道總共有幾個。
程式會記住之後要到哪裡找到存放在那裡的資料。
Rust 的所有權系統會決定何時可以歸還這塊空間。

鑰匙圈比喻揭秘！

還記得第 1 集的鑰匙圈比喻嗎？現在來揭秘它真正的意思：

鑰匙 = 讓程式之後能找到保險箱的資訊。
保險箱 = 另外存放在 heap 上的資料。
鑰匙圈上的裝飾 = 直接帶在鑰匙圈上的資料。

所以當我們說「move 是把鑰匙圈交出去」：

鑰匙和裝飾會一起交給新的擁有者。
保險箱本身留在原處，不需要搬動或重新建立。

為什麼整數是 `Copy`？

整數（i32 等）就像鑰匙圈上的裝飾。複製整數是單純、機械化的操作，所以整數實作了 Copy。

有些型別還負責管理另外存放在 heap 上的資料，因此不能用同樣的方式自動複製。這類值在賦值時會 move；需要建立副本時，則要明確呼叫 .clone()。接下來幾集會看到具體的例子。

範例程式碼

#[derive(Debug, Copy, Clone)]
struct StackData {
    x: i32,
    y: i32,
    active: bool,
}

fn main() {
    // 這些區域變數的大小在編譯時期就已知，
    // 所以這些值可以直接放在 stack 上
    let a = 42;    // i32，4 bytes
    let b = 3.14;  // f64，8 bytes
    let c = true;  // bool，1 byte
    let ch = '🦀'; // char，4 bytes
    println!("整數：{}，浮點：{}，布林：{}，字元：{}", a, b, c, ch);

    // struct 直接存放所有欄位，所以也可以直接放在 stack 上
    let data = StackData { x: 10, y: 20, active: true };
    let data2 = data; // Copy！data 還能用
    println!("data = {:?}", data);
    println!("data2 = {:?}", data2);

    // 長度固定的陣列也可以直接放在 stack 上
    let arr = [1, 2, 3, 4, 5];
    println!("陣列：{:?}", arr);

    // tuple 也可以直接放在 stack 上
    let t = (42, true, 'A');
    println!("tuple：{:?}", t);
}

重點整理

stack（堆疊）：通常直接存放大小在編譯時期就已知的區域變數，例如整數、固定長度的陣列、tuple，以及由這些資料組成的 struct；函數結束時，這次呼叫使用的空間會一起收回。
heap（堆積）：通常用來存放資料量在執行時期才知道或可能增長的資料；程式會記住之後要到哪裡找到存放在那裡的資料。
鑰匙圈比喻揭秘：鑰匙 = 用來找到資料的資訊、保險箱 = 另外存放在 heap 上的資料、裝飾 = 直接帶著的資料。
整數的複製是單純、機械化的操作，所以整數實作了 Copy。
負責管理另外存放在 heap 上資料的型別，在賦值時會 move；需要建立副本時要明確呼叫 .clone()。

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從零開始學 Rust