スタックとヒープ

所有権を理解するために、まずメモリの仕組みを学びます。

メモリの2つの領域

プログラムが使うメモリには主に2つの領域があります。

┌─────────────────────────────────────────┐
│                メモリ                    │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────────┐   │
│  │   スタック   │  │     ヒープ       │   │
│  │  (Stack)    │  │    (Heap)       │   │
│  │             │  │                 │   │
│  │ 高速・固定   │  │ 柔軟・可変       │   │
│  │ サイズ限定   │  │ サイズ自由       │   │
│  └─────────────┘  └─────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────┘

スタック（Stack）

特徴

• LIFO（Last In, First Out）：最後に入れたものを最初に取り出す
• 高速：メモリの場所が決まっている
• 固定サイズ：コンパイル時にサイズがわかるデータのみ

イメージ：本の積み重ね

      ↓ push（追加）
   ┌─────┐
   │  3  │ ← 最後に追加
   ├─────┤
   │  2  │
   ├─────┤
   │  1  │ ← 最初に追加
   └─────┘
      ↑ pop（取り出し）は上から

スタックに置かれるデータ

fn main() {
    let x: i32 = 42;      // スタック（サイズ固定：4バイト）
    let y: f64 = 3.14;    // スタック（サイズ固定：8バイト）
    let z: bool = true;   // スタック（サイズ固定：1バイト）
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];  // スタック（サイズ固定：12バイト）
}

これらはコンパイル時にサイズがわかるので、スタックに置かれます。

ヒープ（Heap）

特徴

• 動的：実行時にサイズが決まるデータを置ける
• 柔軟：大きなデータや可変長データを扱える
• 間接アクセス：ポインタ経由でアクセス

イメージ：倉庫と伝票

スタック（伝票）          ヒープ（倉庫）
┌─────────┐            ┌─────────────────┐
│ ptr ────────────────→│ "Hello, Rust!"  │
│ len: 13 │            └─────────────────┘
│ cap: 13 │
└─────────┘

ヒープに置かれるデータ

fn main() {
    let s = String::from("Hello");  // ヒープに文字列データ
    let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];    // ヒープに配列データ
}

StringやVecは実行時にサイズが変わる可能性があるので、ヒープに置かれます。

Stringのメモリレイアウト

#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");
}

スタック                     ヒープ
┌─────────────┐            ┌───┬───┬───┬───┬───┐
│ ptr ─────────────────────→│ h │ e │ l │ l │ o │
├─────────────┤            └───┴───┴───┴───┴───┘
│ len: 5      │            （5バイトのデータ）
├─────────────┤
│ capacity: 5 │
└─────────────┘

• ptr: ヒープ上のデータへのポインタ
• len: 現在の長さ
• capacity: 確保済みの容量

なぜ2つの領域があるのか

スタックの限界

#![allow(unused)]
fn main() {
// これはコンパイルエラー（サイズが不明）
// let s: str = ???;  // strのサイズは実行時まで不明
}

スタックには「コンパイル時にサイズがわかるもの」しか置けません。

ヒープの必要性

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    s.push_str(", World!");  // 文字列が伸びる
    println!("{}", s);
}

Stringは後から長さが変わるので、柔軟なヒープに置く必要があります。

速度の違い

アクセス速度の比較（イメージ）:

スタック: ████████████████████ 100%
ヒープ:   ██████████           50%（ポインタ経由のため）

スタックは「次のデータの場所」が決まっているので高速です。 ヒープは「ポインタをたどる」必要があるため、少し遅くなります。

コピーとムーブ

スタックのデータ：コピー

fn main() {
    let x = 5;
    let y = x;  // xの値をコピー

    println!("x = {}, y = {}", x, y);  // 両方使える
}

スタックのデータは小さいので、そのままコピーされます。

ヒープのデータ：ムーブ

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;  // s1からs2にムーブ

    // println!("{}", s1);  // エラー！s1は無効
    println!("{}", s2);     // OK
}

ヒープのデータは大きい可能性があるので、所有権が移動します。 これが次のドキュメントで学ぶ「所有権」の核心です。

まとめ

確認テスト

次のドキュメント: 02_ownership.md