面试题：Rust中数组与切片内存布局的差异

Question

请阐述Rust中数组（Array）和切片（Slice）在内存布局上有哪些主要差异，并举例说明这种差异如何影响它们的使用场景。

Answer 1

内存布局差异

1. 数组：
   • 数组是固定大小的，其内存布局是在栈上连续分配的。例如，let arr: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];，这5个i32类型的元素在栈上是紧密排列的，大小为5 * std::mem::size_of::<i32>()字节。数组的大小在编译时就确定，并且不能改变。
2. 切片：
   • 切片是动态大小的视图，它本身是一个胖指针（fat pointer），在64位系统上，切片的大小为16字节（8字节指向数据的指针，8字节表示切片长度）。切片并不拥有数据，而是借用其他数据结构（如数组或堆上分配的Vec）的数据。例如，let s: &[i32] = &arr[1..3];，切片s指向arr数组中的部分数据，切片本身的内存布局是在栈上，而实际的数据仍在arr所在的内存位置。

对使用场景的影响

1. 数组：
   • 固定大小场景：当需要一个固定大小的数据集合，并且希望在栈上分配内存以提高性能和简单性时，使用数组。比如一个游戏中固定数量的玩家位置数组，每个玩家的位置可以是一个(i32, i32)的元组，由于玩家数量在游戏设计时就确定，使用数组很合适。

   let player_positions: [(i32, i32); 10] = [(0, 0); 10];
   

2. 切片：
   • 动态大小或借用场景：当需要处理动态大小的数据块或者需要借用其他数据结构的数据时，使用切片。例如，在读取文件内容时，不知道文件具体大小，读取的数据可以用&[u8]切片来处理。

   use std::fs::File;
   use std::io::{Read, Seek, SeekFrom};
   
   let mut file = File::open("example.txt").expect("Failed to open file");
   let file_size = file.seek(SeekFrom::End(0)).expect("Failed to seek");
   file.seek(SeekFrom::Start(0)).expect("Failed to seek");
   let mut buffer = vec![0; file_size as usize];
   file.read(&mut buffer).expect("Failed to read");
   let slice: &[u8] = &buffer;
   

   • 切片在函数参数传递中也很常用，因为它允许函数处理不同大小的数据块，而不需要关心具体的数据所有者，提高了代码的通用性。例如：

   fn process_slice(slice: &[i32]) {
       for num in slice {
           println!("{}", num);
       }
   }
   
   let arr: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];
   process_slice(&arr);
   let vec: Vec<i32> = vec![6, 7, 8];
   process_slice(&vec);