面试题：Rust基元类型的内存布局及类型转换

Question

描述Rust中基元类型在内存中的布局方式，以i32和f32为例说明其存储结构。并解释在进行类型转换时，如从i32转换为f32，Rust会采取怎样的策略，可能会遇到哪些问题及如何避免。

Answer 1

Rust中基元类型内存布局

1. i32：
   • i32是有符号的32位整数。在内存中，它以补码形式存储。32位（4字节）的空间用于表示数值。最高位（第31位）作为符号位，0表示正数，1表示负数。对于正数，其存储的二进制值就是其原码；对于负数，存储的是其绝对值的补码（即原码的符号位不变，其余各位取反，然后加1）。例如，5在内存中存储为00000000 00000000 00000000 00000101， - 5存储为11111111 11111111 11111111 11111011。
2. f32：
   • f32是32位单精度浮点数，遵循IEEE 754标准。32位空间被分为三个部分：1位符号位（S），8位指数位（E），23位尾数位（M）。符号位S决定数的正负，0为正，1为负。指数位E以偏置形式存储，偏置值为127。尾数位M表示小数部分，隐含一个整数部分1（在规格化数中）。例如，对于数值1.5，其二进制表示为1.1，在f32中，符号位S = 0，指数E = 1（因为1.5 = 1.1×2^0，0 + 127 = 127，二进制为01111111），尾数M = 10000000000000000000000（去掉隐含的1），所以1.5在f32中的存储为0 01111111 10000000000000000000000。

类型转换策略

1. 从i32转换为f32：
   • Rust会将i32的整数值转换为对应的浮点数值。如果i32的值在f32能够精确表示的范围内，转换结果是精确的。例如，i32的5转换为f32就是5.0。
   • 对于较大或较小的i32值，f32可能无法精确表示。在这种情况下，Rust会进行近似处理，以最接近的可表示的f32值作为结果。

可能遇到的问题

1. 精度损失：
   • 由于f32的尾数只有23位有效数字，对于较大的i32值，可能会丢失精度。例如，i32的2147483647（i32::MAX）转换为f32后，其值可能会稍有偏差，因为f32无法精确表示这么大的整数。
2. 溢出：虽然从i32转换为f32不太容易发生传统意义上的溢出（因为f32可以表示很大范围的值），但如果i32的值超出了f32能表示的最大有限值，转换结果会是Infinity（如果是正数）或-Infinity（如果是负数）。

避免方法

1. 范围检查：在进行转换之前，可以先检查i32的值是否在f32能够精确表示的范围内。例如，可以定义一个范围，比如-16777216..=16777216（这个范围只是示例，实际可根据需求调整），在此范围内的i32值转换为f32基本可以保证精度。
2. 使用更高精度类型：如果可能存在精度问题，可以考虑使用f64，它有52位尾数，能提供更高的精度，减少精度损失的可能性。例如，如果需要处理较大范围且高精度的数值，将i32先转换为f64再进行后续操作。