面试题：Rust中内存对齐的基础原理及应用

Question

请简述Rust中内存对齐的基本原理，以及它对结构体布局的影响。并举例说明如何通过Rust的属性来控制结构体的内存对齐方式。

Answer 1

Rust中内存对齐基本原理

内存对齐是指数据在内存中存储时，按照特定的边界地址进行存放。这是因为现代计算机硬件对数据访问有一定要求，按照对齐的方式存储数据，CPU访问内存的效率更高。在Rust中，每个数据类型都有其特定的对齐要求，这个要求基于类型的大小以及硬件平台的特性。例如，一个u32类型（通常为4字节）可能要求其存储地址是4字节对齐的，也就是说该数据的起始地址必须能被4整除。

对结构体布局的影响

结构体的内存布局会受到其成员类型对齐要求的影响。Rust编译器在分配结构体内存时，会确保每个成员都满足其对齐要求。这可能导致结构体内部存在一些填充字节，以保证后续成员的地址是对齐的。例如，一个包含u8（1字节）和u32（4字节）的结构体，u8成员之后可能会有3个填充字节，使得u32成员的地址是4字节对齐的。这样，整个结构体的大小可能会大于其成员大小之和。

通过属性控制结构体内存对齐方式

在Rust中，可以使用repr属性来控制结构体的内存对齐。

• repr(C)：使用repr(C)属性可让结构体遵循C语言的布局规则，这在与C语言交互时很有用。C语言的布局规则要求结构体成员按照声明顺序依次排列，并且每个成员都按照其自身的对齐要求对齐。例如：

#[repr(C)]
struct MyStruct {
    a: u8,
    b: u32,
}

在这个例子中，a之后会有3个填充字节，以确保b是4字节对齐。

• repr(packed)：repr(packed)属性可以用于最小化结构体的内存占用，它会忽略成员的对齐要求，按照成员声明顺序紧密排列，不插入填充字节。例如：

#[repr(packed)]
struct PackedStruct {
    a: u8,
    b: u32,
}

此时，a和b会紧密排列，b可能不会满足4字节对齐，这可能会导致在某些硬件平台上访问b时性能下降甚至出现未定义行为。但在对内存空间非常敏感且不关心性能的场景下很有用。

• repr(align(N))：还可以使用repr(align(N))属性指定结构体的对齐方式，其中N是对齐值，必须是2的幂次方。例如：

#[repr(align(8))]
struct AlignedStruct {
    a: u8,
    b: u32,
}

这个结构体整体将以8字节对齐，编译器会根据此要求调整成员的布局和填充字节。