面试题：Rust数组的底层存储机制之布局问题

Question

在Rust中，数组的元素在内存中是如何布局的？为什么这种布局方式对性能有特定的影响？请举例说明。

Answer 1

1. 数组元素内存布局
   • 在Rust中，数组的元素在内存中是连续存储的。例如，定义一个i32类型的数组let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];，这三个i32类型的元素1、2、3会在内存中依次排列，一个紧挨着一个。
2. 对性能的影响
   • 优点：
     • 缓存友好：由于元素连续存储，当CPU从内存读取数据时，会将内存中的一块数据加载到缓存中。如果后续访问的数组元素在这块缓存数据范围内，就可以直接从缓存读取，而不需要再次访问较慢的内存。例如，对上述arr数组进行遍历for num in arr.iter() { println!("{}", num); }，因为元素连续，很可能在一次缓存加载后，后续元素的访问都能命中缓存，大大提高了访问效率。
     • 指针运算高效：在底层，连续的内存布局使得指针运算简单且高效。例如，要访问数组的第n个元素，可以通过数组起始地址加上n乘以单个元素大小的偏移量直接计算得到，无需复杂的寻址逻辑。
   • 缺点：
     • 插入和删除效率低：因为数组长度固定且元素连续，在数组中间插入或删除元素时，需要移动大量后续元素。比如在上述arr数组中间插入一个元素，就需要将插入位置之后的所有元素向后移动一个位置，这在元素数量较多时会消耗大量时间。