Rust、Go、C ，哪個才是“內(nèi)存管理大師”？

作者：盧鑫旺 2022-07-20 10:33:50

談到內(nèi)存管理，Rust的話語權(quán)不是一般的高。

譯者 | 盧鑫旺、云昭

策劃 | Ethan

編程語言各有各的“大能”，但如果談到內(nèi)存管理，Rust的話語權(quán)不是一般的高。GC（垃圾回收）？手動分配？對于掌握了Rust奧義的開發(fā)者而言，這些詞匯簡直弱爆了。眾所周知，Rust編程語言的主要賣點(diǎn)之一是它的內(nèi)存安全性。Rust對待內(nèi)存，非常有自己的個性。與使用垃圾收集器的編程語言（如Haskell、Ruby和Python）不同，Rust為開發(fā)人員提供了快速功能，能夠以一種獨(dú)特的方式高效地使用和管理內(nèi)存。Rust通過使用借用檢查器（borrow checker）、所有權(quán)（ownership）、借用（borrow）這三個概念來管理和確保跨堆棧和堆的內(nèi)存安全來管理內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。本文討論了Rust借用檢查器，Rust與其他語言（如Go和C）的內(nèi)存管理對比，以及Rust借用檢查器的缺點(diǎn)。

內(nèi)存是如何工作的

在討論Rust如何管理內(nèi)存之前，先來回顧一下計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何工作的。分配給運(yùn)行程序的計(jì)算機(jī)內(nèi)存分為棧和堆。棧是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它按順序存儲局部變量，而不用擔(dān)心內(nèi)存的分配和重新分配。每個線程都有自己的棧，當(dāng)線程停止運(yùn)行時(shí)，每個棧都會被釋放。數(shù)據(jù)以后進(jìn)先出（LIFO）的模式存儲——新的數(shù)據(jù)堆積在舊數(shù)據(jù)的上面。堆是一種分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于隨機(jī)存儲全局變量，內(nèi)存分配和重新分配會是一個需要關(guān)注的問題。當(dāng)一個字面量被壓入堆棧時(shí)，是會有一個確定的內(nèi)存位置的；這使得分配和重新分配(入棧和出棧)很容易。但是，在堆上分配內(nèi)存的隨機(jī)過程會導(dǎo)致使用內(nèi)存的開銷很大，這使得重新分配內(nèi)存的速度變慢，因?yàn)樵诙焉戏峙鋬?nèi)存時(shí)會涉及到復(fù)雜的引用記錄。局部變量、函數(shù)和方法駐留在棧上，其他所有變量駐留在堆上；因?yàn)闂Ｓ泄潭ǖ挠邢薮笮　ust通過在堆棧中存儲字面量（整數(shù)、布爾值等）來有效地處理內(nèi)存。像結(jié)構(gòu)體和枚舉這些類型的變量在編譯時(shí)由于沒有固定的大小，存儲在堆中。

所有權(quán)（所有權(quán)）：“值”的主人

所有權(quán)是Rust中的一個概念，用來在沒有垃圾收集器的情況下保證內(nèi)存安全。Rust強(qiáng)制執(zhí)行以下所有權(quán)規(guī)則：

每個值都有一個變量，稱為owner（所有者）
每個值有且只有一個所有者
如果將變量賦值給新的所有者，那么原始值將被刪除，否則它現(xiàn)在就會有兩個所有者

在程序編譯時(shí)，Rust編譯器在程序編譯之前會檢查程序是否遵守了這些所有權(quán)規(guī)則。如果程序遵循所有權(quán)規(guī)則，則程序編譯執(zhí)行，否則編譯失敗。

Rust使用借用檢查器（borrow checker）來驗(yàn)證所有權(quán)規(guī)則。借用檢查器驗(yàn)證所有權(quán)模型以及內(nèi)存（堆棧或堆）中的值是否超出范圍（scope）。如果值超出范圍，則釋放內(nèi)存。但這并不意味著訪問值的唯一方法是通過原始所有者。這時(shí)就引出了"借用"的概念了。

借用（借用）：重用有術(shù)

為了允許程序重用代碼，Rust提供了借用的概念，和指針類似。

所有權(quán)可以暫時(shí)從所有者處借用，并在借用變量超出范圍時(shí)歸還。可以通過使用&(&)符號傳遞對所有者變量的引用來借用值。這在函數(shù)中非常有用。下面是一個例子：

1. fn list_vectors(vec: &Vec<i32>) {  
2.     for element in vec {  
3.         println!("{}", element);  
4.     }  
5. }

函數(shù)也可以通過使用對變量的可變引用來修改借用變量。普通變量可以通過mut關(guān)鍵字將其設(shè)置為可變的，那么可變引用只要在&后添加關(guān)鍵字mut就可以了。當(dāng)然在進(jìn)行可變引用之前，變量本身必須是可變的。

1. fn add_element(vec: &mut Vec<i32>) -> &mut Vec<i32> {  
2.     vec.push(4);  
3.   
4.     return vec  
5. }

左右滑動查看完整代碼所有權(quán)和借用的概念可能看起來沒有那么靈活，除非你理解了復(fù)制，拷貝，移動的概念，以及它們?nèi)绾我黄鸸ぷ鳌?/span>

復(fù)制所有權(quán)

復(fù)制通過復(fù)制位來復(fù)制值。復(fù)制僅適用于實(shí)現(xiàn)了Copy特征的類型。一些內(nèi)置類型默認(rèn)實(shí)現(xiàn)Copy特征。在棧中，很容易訪問變量并更改所有權(quán)，而在堆中復(fù)制則不容易，因?yàn)槲徊僮魃婕拔灰苿雍臀徊僮鳎鴹τ诖祟惒僮鞯慕M織更有條理。下面是一個在堆中復(fù)制值的示例。

1. fn main(){  
2.     let initial = 6;  
3.     let later = initial;  
4.     println!("{}", initial);  
5.     println!("{}", later);  
6.   
7. }

變量initial和later在同一作用域（范圍scope）中聲明，然后通過賦值將initial的值復(fù)制到later中。

雖然變量在相同的范圍內(nèi)，但initial將不再存在。這是在必須重新分配變量的情況下。輸出：

試圖打印initial變量的值將會引發(fā)編譯錯誤，因?yàn)榻栌脵z查器注意到有變量的所有權(quán)轉(zhuǎn)移了。

那如果你想保留這個值呢?Rust提供了克隆變量的能力。

拷貝變量

你可以將值分配給新所有者，同時(shí)使用拷貝的方法保留舊所有者中的值。然而，你所拷貝的類型必須提前實(shí)現(xiàn)拷貝特征。

1. fn main(){  
2.     let initial = String::from("Showing Ownership ");  
3.     let later = initial.clone();  
4.     println!("{} ==  {} [showing successful cloning] ", initial, later)  
5. }

變量initial在變量later的聲明中被拷貝，這兩個變量駐留在堆中。如果這時(shí)被借用，則這兩個變量將引用同一個對象；但是，在這種情況下，這兩個變量是堆上的新聲明，并占用獨(dú)立的內(nèi)存地址。

移動所有權(quán)

Rust提供了跨作用域更改變量所有權(quán)的功能。當(dāng)函數(shù)按值接受參數(shù)時(shí)，函數(shù)中的變量會成為該值的新所有者。如果你不選擇移動所有權(quán)，可以通過引用傳遞參數(shù)。下面是一個如何將變量的所有權(quán)從一個變量轉(zhuǎn)移到另一個變量的示例。

1. fn change_owner(val: String) {  
2.   
3.     println!("{} was moved from its owner and can now be referenced as val", val)  
4. }  
5.   
6. fn main() {  
7.   
8.     let value = String::from("Change Ownership Example");  
9.     change_owner(value);  
10. }

change_owner函數(shù)獲得了之前聲明的字符串的所有權(quán)，并在接受value變量的值作為參數(shù)時(shí)獲得該字符串的所有權(quán)。此時(shí)試圖打印值變量會導(dǎo)致錯誤。

Rust借用檢查器的缺點(diǎn)

如果Rust的借用檢查器一切都很完美，那么其他系統(tǒng)編程語言可能會切換或提供帶有借用檢查器實(shí)現(xiàn)的版本。在內(nèi)存管理的問題上，它是用戶體驗(yàn)和便利性之間的權(quán)衡。

各主流編程語言的內(nèi)存管理方案一覽

使用垃圾收集器的語言讓內(nèi)存管理變得更容易，但同時(shí)也降低了內(nèi)存管理的靈活性，而像Rust和C這樣的語言讓開發(fā)人員可以快速訪問內(nèi)存，只要遵守它某些規(guī)則，如Rust的所有權(quán)規(guī)則，以及如何在C中將內(nèi)存管理留給開發(fā)人員。

借用檢查器可能是復(fù)雜的和有限制性的。隨著程序規(guī)模的增長，自我確保所有權(quán)規(guī)則可能會變得困難，并且進(jìn)行更改的代價(jià)可能是昂貴的。雖然Rust編譯器通過執(zhí)行檢查來防止類似懸空引用這樣的錯誤，但Rust也為開發(fā)人員提供了unsafe關(guān)鍵字，可以讓指定代碼區(qū)塊不受檢查。如果外部使用了依賴項(xiàng)unsafe關(guān)鍵字，這可能不利于代碼安全性。許多開發(fā)人員，無論是初學(xué)者還是專家，都會從借用檢查器中碰到所有權(quán)錯誤，更多的錯誤來自于在Rust中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

Rust和C的內(nèi)存管理比較

C編程語言是一種流行的系統(tǒng)編程語言，它不使用垃圾收集器或借用檢查器來管理內(nèi)存；相反，C讓開發(fā)人員按照自己的意愿手動和動態(tài)地管理內(nèi)存。

C開發(fā)人員可以使用在標(biāo)準(zhǔn)庫中定義的malloc（）、realloc、free和calloc等函數(shù)，用于堆中的內(nèi)存管理，而棧中的內(nèi)存一旦超出作用域就會自動釋放。

哪種方法更好通常取決于要構(gòu)建的內(nèi)容。雖然開發(fā)人員可能會發(fā)現(xiàn)Rust借用檢查器有一些限制，但它使開發(fā)人員在管理內(nèi)存時(shí)更加高效，而不需要成為內(nèi)存管理專家。Rust開發(fā)人員也可以選擇在沒有標(biāo)準(zhǔn)庫的情況下使用Rust，并獲得類似于C語言的體驗(yàn)，其中所有內(nèi)存管理都是手動來實(shí)現(xiàn)。

帶有標(biāo)準(zhǔn)庫和借用檢查器的Rust更適合用于構(gòu)建需要處理資源密集型的應(yīng)用程序。

Rust和Go的內(nèi)存管理比較

Rust和Go是相當(dāng)新的、強(qiáng)大的語言，經(jīng)常在許多方面進(jìn)行比較，包括內(nèi)存管理。

Go使用非分代并發(fā)、三色標(biāo)記和清除垃圾收集器以一種不同的方式管理內(nèi)存，允許開發(fā)人員使用new和make函數(shù)手動分配內(nèi)存，而垃圾收集器負(fù)責(zé)內(nèi)存回收。

Go的垃圾收集由一個執(zhí)行代碼并向堆分配對象的mutator和一個幫助釋放內(nèi)存的收集器組成。Go還允許開發(fā)人員通過使用不安全的或者運(yùn)行時(shí)包關(guān)閉垃圾收集器來手動訪問和管理內(nèi)存。運(yùn)行時(shí)模塊的debug包通過使用SetGCPercent方法（幫助設(shè)置垃圾收集器目標(biāo)百分比）等方法設(shè)置垃圾收集器參數(shù)，為調(diào)試程序提供功能。

Go的垃圾收集器一直以來在接受來自Go開發(fā)者社區(qū)的批評，并且在過去的幾年里一直在改進(jìn)。Go開發(fā)人員可能希望手動管理內(nèi)存，并能從語言中獲得更多，在默認(rèn)情況下，垃圾收集器不允許像C等語言提供手動內(nèi)存管理所提供的靈活性。

在討論內(nèi)存管理時(shí)，Go和Rust是沒法比較的，因?yàn)樗鼈冇胁煌摹⒉幌嚓P(guān)的內(nèi)存管理方式，在靈活性和內(nèi)存安全性之間進(jìn)行權(quán)衡，特別是兩種語言的開發(fā)人員都想要其他語言使用的東西。

開發(fā)人員選擇Go來構(gòu)建需要簡單性和靈活性的服務(wù)和應(yīng)用程序，選擇Rust來構(gòu)建需要低級別交互，但對性能和內(nèi)存安全至關(guān)重要的應(yīng)用程序。

借用檢查器：Rust人避不開的坎

借用檢查器是Rust之旅中不可繞開的困難。學(xué)習(xí)曲線在這里變得相當(dāng)陡峭。伴隨著借用檢查器的接連不斷的報(bào)錯、警告，許多具有Python和JavaScript等語言背景的Rust崇拜者難免懷疑人生：“跟借用檢查器硬剛，有前途嗎？，還是放棄吧！”

需要明白的是：任何想要繞開借用檢查器的想法都是徒勞的。這是一場你永遠(yuǎn)也贏不了的決斗。唯一能做的，就是將借用檢查器看作是教你如何編寫內(nèi)存效率高的Rust代碼的紀(jì)律制定者，而你必須通過學(xué)習(xí)更多關(guān)于如何編寫更安全、內(nèi)存效率高的Rust代碼來玩好跟借用檢查器之間的游戲。

隨著編寫Rust代碼量的增加，開發(fā)者當(dāng)然也會像其他語言一樣，將找到防止出現(xiàn)借用檢查器常見錯誤的最佳方法。學(xué)會與借用檢查器斗智斗勇，開發(fā)者避無可避。

結(jié)語

毫無疑問，Rust是一種會在未來幾年存在并被廣泛使用的語言。我們已經(jīng)看到像Discord和Microsoft這樣的公司用Rust重寫了他們的一些代碼庫，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^外部函數(shù)接口（FFI）與C和c++等多種語言進(jìn)行交互，還有許多其他公司（如AWS、Mozilla等）在產(chǎn)品的不同環(huán)節(jié)使用Rust。

所有權(quán)和借用是Rust中的基本概念，當(dāng)你編寫更多的Rust程序時(shí)，你很有可能會從借用檢查器中得到一個錯誤。使用合適的工具是很重要的；你可以考慮在內(nèi)存管理不是很重要，并且關(guān)心性能的程序中使用Go。

原文鏈接：

https://stackoverflow.blog/2022/07/14/how-rust-manages-memory-using-ownership-and-borrowing/