面试题：Rust中在unsafe block内如何确保内存安全

Question

假设你在编写一个Rust程序，需要在unsafe block内操作裸指针等不安全特性。请详细说明你会采取哪些措施来确保内存安全，避免出现悬垂指针、内存泄漏等问题。

Answer 1

1. 初始化指针：
   • 在使用裸指针之前，确保它被正确初始化。例如，如果是指向一个堆上分配的对象，使用Box::into_raw等方法来获取一个有效的指针，而不是随意构造一个未初始化的指针。

   let boxed = Box::new(42);
   let raw_ptr = Box::into_raw(boxed);
   

2. 确保指针有效性：
   • 在使用指针前，检查指针是否为null。可以使用if ptr.is_null()进行判断。

   unsafe {
       if!raw_ptr.is_null() {
           // 进行指针操作
       }
   }
   

3. 管理内存生命周期：
   • 对于指向堆内存的指针，要清楚其生命周期。如果是通过Box::into_raw获取的指针，必须在合适的时候使用Box::from_raw将所有权交回给Box，以确保内存被正确释放。

   let boxed = Box::new(42);
   let raw_ptr = Box::into_raw(boxed);
   unsafe {
       let new_box = Box::from_raw(raw_ptr);
   }
   

4. 避免悬垂指针：
   • 确保指针所指向的对象在指针使用期间不会被释放。如果对象的生命周期结束，要么重新分配内存并更新指针，要么确保指针不再被使用。例如，在函数返回时，不要返回指向局部变量的裸指针。

   // 错误示例，返回指向局部变量的指针
   // unsafe fn bad_fn() -> *const i32 {
   //     let num = 42;
   //     &num as *const i32
   // }
   

5. 内存泄漏检查：
   • 仔细审查代码逻辑，确保所有分配的内存最终都被释放。在复杂数据结构中，确保每个元素的内存都被正确管理。例如，如果有一个链表，删除节点时要释放节点的内存。
6. 使用RAII原则：
   • 尽可能将裸指针封装在实现了Drop trait的结构体中，利用Rust的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制来自动管理资源释放。

   struct MyPtr {
       ptr: *mut i32,
   }
   impl Drop for MyPtr {
       fn drop(&mut self) {
           unsafe {
               if!self.ptr.is_null() {
                   std::ptr::drop_in_place(self.ptr);
                   std::alloc::dealloc(self.ptr as *mut u8, std::alloc::Layout::new::<i32>());
               }
           }
       }
   }