Rustc 中的内存管理

Rustc 在内存管理方面相当谨慎。编译器在整个编译过程中需要分配 大量 的数据结构，如果我们不够谨慎，这将会耗费大量时间和空间。

使用 arenas 和 interning 是编译器管理内存的主要方式之一。

Arenas 和 Interning

在编译期间我们需要创建大量的数据结构。出于对性能的考虑，我们通常从全局内存池中分配这些数据结构; 每个数据结构都从一个长期 arena 中分配一次。这就是所谓的 arena allocation。这个系统减少了内存的分配/释放。它还允许简单地比较类型是否相等: 对每个 interned 类型 X 实现了 X 的 PartialEq，因此我们只比较指针就可以判断是否相等。 CtxtInterners 类型包含一系列 interned 类型和 arena 本身的映射。

例: ty::TyS

以 ty::TyS 为例，它表示编译器中的类型(在这里了解更多)。每当我们想要构造一个类型时，编译器都不会傻乎乎地直接从缓冲区分配。相反，编译器检查是否构造过该类型。如果构造过的话，只需要获取一个指向之前构造个的类型的指针，否则，就会创建一个新的指针。对于这个设计，如果想知道两种类型是否相同，只需要比较两个指针。TyS 是精心设计的，所以你永远无法在栈上构造 TyS。你只能从这个 arena 分配并 intern TyS，所以它是独一无二的。

在编译开始时，我们会创建一个缓冲区，每当需要分配一个类型时，就从缓冲区中使用这些类型。如果用完了，就会再创建一个。缓冲区的生命周期为 'tcx 。我们的类型绑定到该生命周期，因此当编译完成时，与该缓冲区相关的所有内存都被释放，'tcx 的引用将无效。

除了类型之外，还可以分配很多其它的 arena-allocated 数据结构，这些数据结构可以在该模块中找到。以下是一些例子:

  • Substs，分配给 mk_substs – 这会 intern 一个切片类型，通常用于指定要替换泛型的值(例如 HashMap<i32, u32> 将被表示为切片 &'tcx [tcx.types.i32, tcx.types.u32])。
  • TraitRef，通常通过值传递 – 一个 trait 引用 包含一个引用的 trait 及其各种类型参数(包括 Self)，如 i32: Display (这里 def-id 会引用 Display trait，并且子类型包含 i32)。 注意 def-id 的定义及讨论在 AdtDef and DefId 部分。
  • Predicate 定义 trait 系统要保证的东西 (见 traits 模块)。

tcx 和怎样使用生命周期

tcx(“typing context”)是编译器中的中枢数据结构。它是用于执行各种查询的上下文。 TyCtxt 结构体定义了对这个共享上下文的引用:

tcx: TyCtxt<'tcx>
//          ----
//          |
//          arena lifetime

如你所见，TyCtxt 类型使用生命周期参数。当你看到类似 'tcx 生命周期的引用时，你就知道它指的是 arena-allocated 的数据(或者说，数据的生命周期至少与 arenas 一样长)。

关于生命周期

Rust 编译器是一个相当大的程序，包含大量的大数据结构(如 AST、 HIR 和类型系统)，因此非常依赖于 arenas 和引用(references)来减少不必要的内存使用。这体现在使用插入编译器(例如 driver)的方式上，倾向于使用“push”风格(回调)的 API ，而不是 Rust-ic 风格的“pull”风格(考虑 Iterator trait)。

编译器通过大量使用线程本地存储和 interning 来减少复制，同时也避免了无处不在的生命期而导致的用户不友好。rustc_middle::ty::tls 模块用于访问这些线程局部变量，尽管你很少需要接触。