简介
堆和栈是计算机里面最基本的概念，不过如果一直使用高级语言如 Python/Ruby/PHP/Java 等之类的语言的话，可能对堆和栈并不怎么理解，当然这里的栈(Stack)并不是数据结构里面的概念，而是计算机对内存的一个抽象。相比而言，C/C++/Rust 这些语言就必须对堆和栈的概念非常了解才能写出正确的程序，之所以有这样的区别是因为它们的内存管理方式不同，Python 之类的语言程序运行时会同时会运行垃圾回收器，垃圾回收器与用户程序或并行执行或交错执行，垃圾回收器会自动释放不再使用的内存空间，而 C/C++/Rust 则没有垃圾回收器。
操作系统会将物理内存映射成虚拟地址空间，程序在启动时看到的虚拟地址空间是一块完整连续的内存。
栈内存从高位地址向下增长，且栈内存分配是连续的，一般操作系统对栈内存大小是有限制的，Linux/Unix 类系统上面可以通过 ulimit 设置最大栈空间大小，所以 C 语言中无法创建任意长度的数组。在Rust里，函数调用时会创建一个临时栈空间，调用结束后 Rust 会让这个栈空间里的对象自动进入 Drop 流程，最后栈顶指针自动移动到上一个调用栈顶，无需程序员手动干预，因而栈内存申请和释放是非常高效的。
相对地，堆上内存则是从低位地址向上增长，堆内存通常只受物理内存限制，而且通常是不连续的，一般由程序员手动申请和释放的，如果想申请一块连续内存，则操作系统需要在堆中查找一块未使用的满足大小的连续内存空间，故其效率比栈要低很多，尤其是堆上如果有大量不连续内存时。另外内存使用完也必须由程序员手动释放，不然就会出现内存泄漏，内存泄漏对需要长时间运行的程序(例如守护进程)影响非常大。
Rust 中的堆和栈
由于函数栈在函数执行完后会销毁，所以栈上存储的变量不能在函数之间传递，这也意味着函数没法返回栈上变量的引用，而这通常是 C/C++ 新手常犯的错误。而 Rust 中编译器则会检查出这种错误，错误提示一般为 xxx does not live long enough，看下面一个例子
fn main() {
let b = foo("world");
println!("{}", b);
}
fn foo(x: &str) -> &str {
let a = "Hello, ".to_string() + x;
&a
}之所以这样写，很多人觉得可以直接拷贝字符串 a 的引用从而避免拷贝整个字符串，然而得到的结果却是 a does not live long enough 的编译错误。因为引用了一个函数栈中临时创建的变量，函数栈在函数调用结束后会销毁，这样返回的引用就变得毫无意义了，指向了一个并不存在的变量。相对于 C/C++ 而言，使用 Rust 就会幸运很多，因为 C/C++ 中写出上面那样的程序，编译器会默默地让你通过直到运行时才会给你报错。
其实由于 a 本身是 String 类型，是使用堆来存储的，所以可以直接返回，在函数返回时函数栈销毁后依然存在。同时 Rust 中下面的代码实际上也只是浅拷贝。
fn main() {
let b = foo("world");
println!("{}", b);
}
fn foo(x: &str) -> String {
let a = "Hello, ".to_string() + x;
a
}Rust 默认使用栈来存储变量，而栈上内存分配是连续的，所以必须在编译之前了解变量占用的内存空间大小，编译器才能合理安排内存布局。
Box
C 里面是通过 malloc/free 手动管理堆上内存空间的，而 Rust 则有多种方式，其中最常用的一种就是 Box,通过 Box::new() 可以在堆上申请一块内存空间，不像 C 里面一样堆上空间需要手动调用 free 释放，Rust 中是在编译期编译器借助 lifetime 对堆内存生命期进行分析，在生命期结束时自动插入 free。当前 Rust 底层即 Box 背后是调用 jemalloc 来做内存管理的，所以堆上空间是不需要程序员手动去管理释放的。很多时候你被编译器虐得死去活来时，那些 borrow, move, lifetime 错误其实就是编译器在教你认识内存布局，教你用 lifetime 规则去控制内存。这套规则说难不难，说简单也不简单，以前用别的语言写程序时对内存不关心的，刚写起来可能真的会被虐得死去活来，但是一旦熟悉这套规则，对内存布局掌握清楚后，借助编译器的提示写起程序来就会如鱼得水，这套规则是理论界研究的成果在Rust编译器上的实践。
大多数带 GC 的面向对象语言里面的对象都是借助 box 来实现的，比如常见的动态语言 Python/Ruby/JavaScript 等，其宣称的"一切皆对象(Everything is an object)"，里面所谓的对象基本上都是 boxed value。
boxed 值相对于 unboxed，内存占用空间会大些，同时访问值的时候也需要先进行 unbox，即对指针进行解引用再获取真正存储的值，所以内存访问开销也会大些。既然 boxed 值既费空间又费时间，为什么还要这么做呢？因为通过 box，所有对象看起来就像是以相同大小存储的，因为只需要存储一个指针就够了，应用程序可以同等看待各种值，而不用去管实际存储是多大的值，如何申请和释放相应资源。
Box 是堆上分配的内存，通过 Box::new() 会创建一个堆空间并返回一个指向堆空间的指针
nightly 版本中引入 box 关键词，可以用来取代 Box::new() 申请一个堆空间，也可以用在模式匹配上面
#![feature(box_syntax, box_patterns)]
fn main() {
let boxed = Some(box 5);
match boxed {
Some(box unboxed) => println!("Some {}", unboxed),
None => println!("None"),
}
}下面看一个例子，对比一下 Vec<i32> 和 Vec<Box<i32>> 内存布局，这两个图来自 Stack Overflow，从这两张内存分布图可以清楚直观地看出 Box 是如何存储的
Vec<i32>
(stack) (heap)
┌──────┐ ┌───┐
│ vec1 │──→│ 1 │
└──────┘ ├───┤
│ 2 │
├───┤
│ 3 │
├───┤
│ 4 │
└───┘