スタックとヒープについて
はじめに
最近、実務でRustを書く機会が増えてきました。Rustを学ぶ上で避けて通れないのが「所有権」ですが、その背景にあるスタックとヒープという2つのメモリ領域を理解すると、学習効率がぐんと上がります。
今回は、プログラムが実行される際にデータがどこに置かれ、それがパフォーマンスや動作にどう影響するのかを解説します。
1. スタック (Stack)
スタックは、メモリ領域の1つで、「お皿を積み重ね、上から順に取り出す」というLIFO（Last In First Out）の仕組みで動きます。
特徴
- 非常に高速： 新しいデータを置く場所（プッシュ）も取る場所（ポップ）も常に「一番上」と決まっているため、場所を探す必要がありません。
- サイズが固定： スタックに保存されるデータは、コンパイル時にサイズが確定している必要があります。
具体的なデータ型
これらはサイズが固定されているため、スタックに直接保存され、コピーも高速です。
- 整数型 (
i32,u32など) - 浮動小数点型 (
f64など) - 論理値 (
bool) - 文字型 (
char)
2. ヒープ (Heap)
ヒープは、「レストランのウェイターが客を空いている席に案内する」ような仕組みで動きます。
特徴
- 柔軟なサイズ： 実行時にどれだけのメモリが必要になるかわからないデータを保存できます。
- アクセス速度が低速： スタックに比べてアクセスに時間がかかります。
なぜヒープは遅いのか？
ヒープにデータを置く場合、OSは十分な空きスペースを探し、そこを「使用中」としてマークして、その場所を指し示すポインタ（住所）を返します。 プログラムがヒープのデータにアクセスするには、「まずスタックにあるポインタを確認し、その住所を辿ってヒープへ行く」という2ステップが必要になるため、スタックより時間がかかるのです。
具体的なデータ型
String型：ユーザー入力などでサイズが動的に変わる文字列。Vec<T>：要素数が実行時に決まる可変長配列。
3. スタック vs ヒープ 比較まとめ
| 特徴 | スタック (Stack) | ヒープ (Heap) |
|---|---|---|
| データサイズ | 固定（コンパイル時に既知） | 可変（実行時に決まる） |
| アクセス速度 | 非常に高速 | 低速（ポインタを辿るため） |
| 管理方式 | LIFO（自動で整理される） | 割り当てと解放が必要 |
| 主な型 | 基本的な型（数値、真偽値） | String, Vec<T> など |
4. Rustにおける「コピー」と「ムーブ」
Rustでは、データがどちらの領域に置かれるかによって、変数代入時の挙動が変わります。
固定サイズ（スタック）の場合：コピー
スタック上のデータは単純に複製されるため、元の変数も引き続き使えます。
let x = 5;
let y = x; // xの値が y にコピーされる
println!("{}", x); // 5（xはまだ使える）
println!("{}", y); // 5
可変サイズ（ヒープ）の場合：ムーブ
String などのデータは、スタックにある「ポインタ情報」のみが移動します。これをムーブと呼びます。
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; // s1の所有権がs2に移動（ムーブ）
// println!("{}", s1); // コンパイルエラー：s1は無効になっている
println!("{}", s2); // hello（正常に動作）
なぜムーブするのか？ もしコピー（複製）してしまうと、プログラム終了時にヒープ上の同じデータを2回片付けようとしてしまい、メモリの不具合（二重解放）が起きるからです。Rustはこの問題を「所有権」という仕組みで安全に解決しています。
まとめ
- スタックは、固定サイズのデータを高速に扱う「整理整頓された場所」。
- ヒープは、動的なデータを柔軟に扱う「広いスペース」。
- Rustでは、この違いがコピーとムーブという動作の違いとして現れる。
次回は、このムーブと深く関わるRustの「所有権（Ownership）」について詳しく解説します！