回顾一下什么是内存安全

Rust号称是内存安全的语言，所以讨论Rust之前，先学习一下什么是内存安全。从维基百科的Memory_safety页面整理了一份常见的C++内存错误列表（方格中O代表这个内存错误与这种分配方式相关）：

    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">(</span><span lang="zh-CN">运行时内存错误）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3486in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      Allocated on Stack
    </p>
    
    <p lang="zh-CN" style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      （栈上分配的内存）
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.4187in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      Allocated On Heap
    </p>
    
    <p lang="zh-CN" style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      （堆上分配的内存）
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Exhaustion </span><span lang="zh-CN">（内存耗尽）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Out of bound access </span><span lang="zh-CN">（内存越界）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Uninitialized pointer </span><span lang="zh-CN">（野指针）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Null pointer access </span><span lang="zh-CN">（空指针）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Dangling pointer </span><span lang="zh-CN">（悬挂指针）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Double free </span><span lang="zh-CN">（多次释放）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Invalid free </span><span lang="zh-CN">（无效释放）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

<tr>
  <td style="vertical-align: top; width: 2.4416in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      <span lang="en-US">Memory leaks</span><span lang="zh-CN">（内存泄漏）</span>
    </p>
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3298in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
  </td>
  
  <td style="vertical-align: top; width: 1.3909in; padding: 4pt 4pt 4pt 4pt; border: 1pt solid #A3A3A3;">
    <p style="margin: 0in; font-family: 微软雅黑; font-size: 9.0pt;">
      O
    </p>
  </td>
</tr>

栈上分配对比堆上分配

在栈上（On Stack）分配内存走的是后入先出（LIFO）的方式，这是与堆上（On Heap）分配最大的不同。后入先出意味着在当一个函数被调用的时候，在栈上为这个函数分配一个栈帧（Frame），里面有函数用到的局部变量以及函数返回地址等其他一些信息；当这个函数调用返回时，相应的栈帧就被销毁，所以栈上的分配的内存是不需要释放的。

如何在栈上的内存分配由编译器全权处理的，基本在编译的时候就确定了。但是，省心不用释放内存这一个特性十分诱人，所以GCC提供了一个在运行时栈上分配内存的函数：alloca(3)。这个函数是一个奇技赢巧，不推荐使用，原因有二：一是因为栈空间本来就不大，容易爆掉；二是这个函数跨平台性较差，在不同平台会有不同的限制。

内存动态分配一般是在堆上进行的，这些分配和回收都是由程序员来控制的，所以和栈上分配相比，堆上分配存在这样的问题：

Double free （多次释放），对同一片内存区域释放两次，导致未定义的行为。
Invalid free （无效释放），释放不是从堆上分配的内存，导致未定义的行为。
Memory leaks（内存泄漏），内存没有被回收，导致系统可用的内存减少。

自动垃圾收集可以解决上面问题，但自动垃圾收集并不适合在所有场合用，而且C++也没有内建相应的机制。C++有的是Resource Acquisition Is Initialization，简单地说就是通过堆栈联动，编译器安排在栈帧推出的时候自动把堆上的内存也释放了。

指针（Pointer）导致的问题

C++的指针概念来自与C。在C语言中，指针是一个简单而强大的概念，一个指针就是一个可以随意移动的地址，指向任何内存的任何区域，无论是在堆上还是在栈上。C指针的强大以及导致的问题在于：

C语言不要求变量被初始化，所以一旦定义了一个指针变量却没有对其赋值，这个指针就变成了野指针（Uninitialized pointer）。访问这些野指针很容易就导致内存越界访问（Out of bound access）
由于指针只是一个数值，定义了一个指针变量却对其赋予错误的值会导致内存越界访问（Out of bound access），空指针访问（Null pointer access）是其中的一个特例。
指针可以做算术运算，更改所指向的内存区域，导致指针解引用的时候出现内存越界访问（Out of bound access）。
指针指向的内容可以随意转换成其它类型，比如把(unsigned char*)转化为(struct foo*)，类型转化安全性无法保证，也可能导致内存越界访问（Out of bound access）。
不同的指针可以指向相同的对象，如果指针A和指针B指向同一个对象，A把内存释放了，那么B就成了悬挂指针（Dangling pointer）。

造成这些问题的原因是因为指针变量可以被随意的修改，一个理所当然的想法是限制指针的能力，看这些语言是怎么做的：

C++引入了引用（reference）的概念。引用可以看作是指针的包装，其使用上有限制但也更安全。比如，引用只能指向一个确定存在的对象，以及引用一旦绑定就不能改变等等，可以避免好多类型的内存错误。
Java中直接禁止了C语言中的指针。在Java中，除了像如整形浮点型那样的原始类型（primitive types），其他所有的对象都是以引用的方式存在的。而且Java中有自动垃圾收集功能，不需要显示释放内存。
Python更甚一步，它连原始类型都没有，所有的值都是对象，都是通过引用的方式存在的，然后通过自动垃圾收集功能实现内存回收。

总的来说，要要增加指针类型的安全性，要在三方面下功夫，1）指针变量是否正确初始化，2）指针变量修改是否正确，3）如何处理多个指针变量指向相同对象。

Exhaustion （内存耗尽）

内存耗尽意味着内存不足，没有办法分配程序所需要的内存。不管是堆内存耗尽还是栈内存耗尽都是一个难以处理的情况，对于C++而言，这两种情况默认都会导致程序异常退出。下面是一个堆耗尽的例子：

Linux GCC 5.3.0上面的运行结果是：

关于栈耗尽这个问题，不同的语言处理起来不太一样。如果C++程序出现爆栈的话程序会直接挂掉；但是其他语言，比如Go语言中的Goroutine栈是可以动态增长的。

Null Pointer （空指针）

即便是有垃圾收集的语言，空指针解引用的错误也是难以避免的，例子如下：

Go 1.6

结果：

JDK 1.8 代码：

结果：

不过好算这些错误显示都告诉你代码里面哪错了，总比莫名其妙不着边际的内存错误要强。

栈上分配对比堆上分配#

指针（Pointer）导致的问题#

Exhaustion （内存耗尽）#

Null Pointer （空指针）#

栈上分配对比堆上分配

指针（Pointer）导致的问题

Exhaustion （内存耗尽）

Null Pointer （空指针）