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Rust 中的数据布局--可选的数据布局

2022-03-29 12:03:39 作者：互联网

Rust 允许你指定不同于默认的数据布局策略，并为你提供了不安全代码指南。

repr(C)

这是最重要的“repr”。它的意图相当简单：做 C 所做的事。字段的顺序、大小和对齐方式与你在 C 或 C++ 中期望的完全一样。任何你期望通过 FFI 边界的类型都应该有repr(C)，因为 C 是编程世界的语言框架。这对于合理地使用数据布局做更多的技巧也是必要的，比如将值重新解释为不同的类型。

我们强烈建议使用rust-bindgen和/或cbindgen来为你管理 FFI 的边界。Rust 团队与这些项目紧密合作，以确保它们能够稳健地工作，并与当前和未来关于类型布局和 reprs 的保证兼容。

必须记住repr(C)与 Rust 更奇特的数据布局功能的互动。由于它具有“用于 FFI”和“用于布局控制”的双重目的，repr(C)可以应用于那些如果通过 FFI 边界就会变得无意义或有问题的类型：

ZST 仍然是零大小，尽管这不是 C 语言的标准行为，而且明确违背了 C++ 中空类型的行为，即它们仍然应该消耗一个字节的空间
DST 指针（宽指针）和 tuple 在 C 语言中没有对应的概念，因此从来不是 FFI 安全的
带有字段的枚举在 C 或 C++ 中也没有对应的概念，但是类型的有效桥接是被定义的
如果T是一个FFI 安全的非空指针类型，Option<T>被保证具有与T相同的布局和 ABI，因此也是 FFI 安全的。截至目前，这包括&、&mut和函数指针，所有这些都不能为空。
就repr(C)而言，元组结构和结构一样，因为与结构的唯一区别是字段没有命名。
repr(C)相当于无字段枚举的repr(u*)之一（见下一节）。选择的大小是目标平台的 C 应用二进制接口（ABI）的默认枚举大小。请注意，C 语言中的枚举表示法是实现定义的，所以这实际上是一个“最佳猜测”。特别是，当对应的 C 代码在编译时带有某些标志时，这可能是不正确的。
带有repr(C)或repr(u*)的无字段枚举仍然不能在没有相应变量的情况下设置为整数值，尽管这在 C 或 C++ 中是允许的行为。如果（不安全地）构造一个枚举的实例，但不与它的一个变体相匹配，这是未定义的行为(这使得详尽的匹配可以继续被编写和编译为正常行为)。

repr(transparent)

这只能用于具有单个非零尺寸字段的结构（可能还有其他零尺寸字段）。其效果是，整个结构的布局和 ABI 被保证与该字段相同。

我们的目标是使单一字段和结构之间的转换成为可能。一个例子是UnsafeCell，它可以被转换为它所包装的类型。（UnsafeCell也用了一个不稳定的特性no_niche，所以当它嵌套其它类型的时候，它的 ABI 也并没有一个稳定的保证。）

另外，通过 FFI 传递结构，其中内部字段类型在另一端被期望，这保证了结构的工作。特别是，这对于struct Foo(f32)总是具有与f32相同的 ABI 是必要的。

只有在唯一的字段为pub或其内存布局在文档中所承诺的情况下，该 repr 才被视为一个类型的公共 ABI 的一部分。否则，该内存布局不应被其他 crate 所依赖。

更多细节可以参考RFC。

repr(u), repr(i)

这些指定了使无字段枚举的大小。如果判别符超过了它可以容纳的整数，就会产生一个编译时错误。你可以通过将溢出的元素明确设置为 0 来手动要求 Rust 允许这样做。

术语“无字段枚举”仅意味着该枚举在其任何变体中都没有数据。没有repr(u*)或repr(C)的无字段枚举仍然是一个 Rust 本地类型，没有稳定的 ABI 表示。添加repr会使它在 ABI 上被视为与指定的整数大小完全相同。

如果枚举有字段，其效果类似于repr(C)的效果，因为该类型有一个定义的布局。这使得将枚举传递给 C 代码或者访问该类型的原始表示并直接操作其标记和字段成为可能，详见RFC。

这些“repr”对结构（struct）没有作用。

在含有字段的枚举中加入明确的repr(u*)、repr(i*)或repr(C)可以抑制空指针优化，比如：


enum MyOption<T> {
    Some(T),
    None,
}

#[repr(u8)]
enum MyReprOption<T> {
    Some(T),
    None,
}

assert_eq!(8, size_of::<MyOption<&u16>>());
assert_eq!(16, size_of::<MyReprOption<&u16>>());

空指针优化针对无字段且拥有repr(u*)、repr(i*)或repr(C)的枚举仍然生效。

repr(packed)

repr(packed)强制 Rust 去掉任何填充，只将类型对齐到一个字节。这可能会改善内存占用，但可能会有其他负面的副作用。

特别是，大多数架构强烈地希望数值被对齐。这可能意味着不对齐的加载会受到惩罚（x86），甚至会出现故障（一些 ARM 芯片）。对于简单的情况，如直接加载或存储一个已打包的字段，编译器可能能够用移位和掩码来解决对齐问题。然而，如果你对一个已打包的字段进行引用，编译器就不太可能发出代码来避免无对齐的加载。

由于这可能导致未定义的行为，我们在 Lint 中已经实现了对应的检查，并且该行为会被认为是错误。

repr(packed)是不能轻易使用的，除非你有极端的要求，否则不应该使用这个。

这个 repr 是对repr(C)和repr(Rust)的修改。

repr(align(n))

repr(align(n))(其中n是 2 的幂)强制类型至少按照 n 对齐。

这可以实现一些技巧，比如确保数组中的相邻元素不会彼此共享同一个缓存行（这可能会加快某些类型的并发代码）。

这是repr(C)和repr(Rust)的一个修改版本，它与repr(packed)不兼容。