完整标题： [高级 Rust] 1.14. 内存类型 第2部分 - 动态大小类型与宽指针、紧凑布局、特定字段或类型的大对齐方式、复杂类型的内存表示以及 Repr Rust

1.14.1. repr(Rust)

还记得上一篇文章中的示例吗？那个示例使用了 repr(C)，而 C 表示法的限制在于所有字段必须按照结构体中定义的顺序排列。

repr(Rust) 是默认的表示方式。它有意提供了比 repr(C) 更少的布局保证：编译器可能会重新排列字段，并且即使两个类型具有相同顺序的相同字段，也不保证它们共享相同的布局。

由于编译器可能会重新排列字段（例如，将较大的字段放在前面），因此通常可以减少填充。在上一篇文章的 Foo 示例中，一种可能的优化布局不需要任何填充。

由于布局保证较少，编译器有空间重新排列内容并生成高效的代码。

如果使用 repr(Rust)，那么上述 Foo 结构体的一种可能的内存布局是：

代码 字段类型大小 默认表示方式 填充 最终对齐方式
#[repr(Rust)]
struct Foo {
long: u64, 8 字节 8 字节对齐 8 字节
normal: u32, 4 字节 4 字节对齐
short: u16, 2 字节 2 字节对齐
small: u8, 1 字节 1 字节对齐
tiny: bool, 1 字节 1 字节对齐
}
总计 16 字节
  • 编译器首先按大小对字段进行排序，将最大的字段放在前面，以便确定结构体的对齐方式。在本例中，u64 是最大的字段，占用 8 字节，因此结构体按 8 字节对齐
  • 编译器随后查看剩余字段，发现它们的总大小正好是 8 字节，因此可以将它们放在一起，避免填充
  • 最终，该结构体只需要 16 字节，与 repr(C) 相比节省了一半内存
  • 这样更高效，但编译时间可能会稍长

1.14.2. 紧凑布局

你可以告诉编译器字段之间不需要填充，但你必须接受未对齐访问带来的性能开销。

当内存有限或某个类型的实例数量很多时，紧凑布局可能很有用。当通过低带宽网络连接发送内存表示时，它也很有用。

要启用紧凑布局，请向类型添加 #[repr(packed)] 注解。

注意，使用紧凑布局时：

  • 代码运行速度可能会变慢
  • 在极端情况下，如果 CPU 仅支持对齐访问，程序可能会崩溃

1.14.3. 为特定字段或类型指定更大的对齐方式

使用 #[repr(align(n))] 注解可以为特定字段或类型指定更大的对齐方式，其中 n 是参数。

例如，如果你想确保存储在内存中的不同值（例如在数组中）落在不同的 CPU 缓存行上，你可以避免伪共享。

以下是对相关术语的简要解释：

  • 缓存由缓存行组成，缓存以缓存行为单位进行操作。缓存行 是可以映射到缓存中的最小数据单位
  • 伪共享是指两个不同的 CPU 访问共享同一缓存行的不同变量。理论上它们可以并行操作，但最终它们都在竞争更新同一个缓存条目。这会导致并发程序的性能大幅下降

1.14.4. 复杂类型的内存表示

  • 元组：其内存表示类似于结构体；字段类型和元组元素类型按相同顺序排列
  • 数组：所包含类型的连续序列，元素之间没有填充
  • 联合：每个字段的布局选择是独立的；对齐方式是所有字段中的最大值
  • 枚举：类似于联合，但有一个额外的隐藏共享字段用于存储枚举变体的判别式。代码使用判别式的值来确定给定值包含哪个变体。判别式的大小取决于变体的数量

1.14.5. 动态大小类型与宽指针

Rust 中的大多数类型会自动实现 Sized trait。

Rust 需要知道其类型的一些细节，例如为特定类型的值分配多少空间。这使得动态大小类型的概念有些令人困惑。它们有时被称为 DST 或 非大小类型，允许我们编写适用于运行时才知道大小的值的代码。

为了使用动态大小类型，Rust 提供了 Sized trait 来指示类型的大小是否在编译时已知。所有在编译时已知大小的内容都会自动实现此 trait。Rust 还会隐式地将 Sized trait 添加到每个泛型函数中。默认情况下，泛型函数仅适用于编译时已知大小的类型。 这个限制可以通过 ?Sized 放宽。?Sized 表示“T 可能实现 Sized，也可能不实现”，即 T 可能是也可能不是动态大小类型。此表示法不需要泛型类型必须在编译时具有已知大小这一默认条件。?Trait 语法仅适用于 Sized trait，而不适用于其他 trait。

当一个函数需要接受 DST（如 trait 对象或切片）作为参数时，我们应该怎么做？我们可以使用宽指针（也称为胖指针）。

1.14.6. 宽指针

通过将非 Sized 类型放在宽指针之后，我们弥合了 Sized 类型和非 Sized 类型之间的差距。

那么，宽指针到底是什么？宽指针是一个普通指针，附加了一个“字大小”字段。它为编译器提供了关于指针的额外信息，以便生成使用该指针的合理代码。

当你引用 DST 时，编译器会自动为你构造一个宽指针。例如，对于切片，额外的信息是切片的长度。

宽指针是 Sized 的，因为它们本质上是指针，其大小是固定的（是“大小已知”指针大小的两倍——一个字段存储指针本身，另一个字段存储用于“完成”类型的附加元数据）。

注意：Box<T> 和 Arc<T> 都支持存储宽指针，因此它们都支持 ?Sized。