面试题：Rust中unsafe代码块如何与Safe Rust代码交互并保证安全

Question

假设你正在开发一个库，其中部分功能需要使用unsafe代码块来实现底层操作。请描述如何设计接口，使得外部调用者在使用Safe Rust代码调用该库功能时，不会破坏程序的内存安全和类型安全，具体说明unsafe代码块与Safe Rust代码交互的机制和要点。

Answer 1

1. 设计安全接口
   • 封装底层操作：将所有unsafe代码封装在内部函数中，对外暴露安全的函数接口。例如：

   // 内部使用unsafe实现的函数
   fn inner_unsafe_function(ptr: *mut i32) {
       unsafe {
           // 底层指针操作
           *ptr = 42;
       }
   }
   
   // 对外暴露的安全接口
   pub fn safe_function() {
       let mut value = 0;
       let ptr = &mut value as *mut i32;
       inner_unsafe_function(ptr);
   }
   

   • 控制外部输入：在安全接口中，对传入的参数进行严格的有效性检查，确保传入unsafe代码块的参数是安全的。比如，检查指针是否为空，数组索引是否在有效范围内等。例如：

   pub fn safe_access_array(arr: &mut [i32], index: usize) {
       if index < arr.len() {
           let ptr = arr.as_mut_ptr().add(index);
           unsafe {
               *ptr = 100;
           }
       }
   }
   

2. unsafe代码块与Safe Rust代码交互机制
   • 生命周期和借用规则：在unsafe代码中，要遵循Safe Rust的生命周期和借用规则。当从Safe Rust代码传入引用或指针到unsafe代码块时，unsafe代码块不能使这些引用或指针的生命周期无效。例如，不能将一个局部变量的指针存储到一个静态变量中，导致局部变量释放后指针悬空。
   • 类型安全：unsafe代码块要保证类型一致性。如果从Safe Rust代码传入一个特定类型的指针，unsafe代码块在使用该指针时必须确保它指向的是正确类型的数据。例如，不能将*mut i32当作*mut f32来使用。
3. 要点
   • 文档说明：对所有包含unsafe代码的库函数，要提供详细的文档说明，解释函数的功能、参数的含义和限制，以及可能存在的安全风险。例如：

   /// 安全地访问数组指定位置并修改值。
   ///
   /// # 参数
   /// - `arr`: 可变数组切片。
   /// - `index`: 要访问的数组索引，必须小于数组长度。
   ///
   /// # 安全注意事项
   /// 此函数内部使用了unsafe代码，确保传入的`index`在有效范围内，否则可能导致未定义行为。
   pub fn safe_access_array(arr: &mut [i32], index: usize) {
       if index < arr.len() {
           let ptr = arr.as_mut_ptr().add(index);
           unsafe {
               *ptr = 100;
           }
       }
   }
   

   • 测试：对使用unsafe代码的库功能进行全面的测试，包括边界条件测试，如空指针、数组越界等情况，确保在各种情况下程序的内存安全和类型安全。