面试题：Rust中const和static在内存布局上的区别

Question

请详细阐述在Rust语言里，使用const和static声明的变量在内存布局方面有何不同？并举例说明这种不同对程序运行可能产生的影响。

Answer 1

内存布局不同

1. const声明的常量
   • 存储位置：const声明的常量在编译时就会被求值并内联到使用它的地方。它不会在运行时占用独立的内存空间。例如：

   const FIVE: i32 = 5;
   fn main() {
       let x = FIVE + 3;
   }
   

   在编译后的代码中，FIVE不会有单独的内存存储，let x = FIVE + 3;这行代码在编译时会直接处理为let x = 5 + 3;。
   • 类型要求：const常量的类型必须是Copy类型，并且其值必须在编译时就能确定。这是因为它要内联到使用的地方，不能依赖运行时的计算。
2. static声明的静态变量
   • 存储位置：static声明的静态变量有自己独立的内存地址，在程序的整个生命周期内存在于静态内存区域。例如：

   static mut COUNTER: i32 = 0;
   fn main() {
       unsafe {
           COUNTER += 1;
           println!("COUNTER: {}", COUNTER);
       }
   }
   

   COUNTER在静态内存中有自己的存储位置，可以在运行时通过其地址来访问和修改（这里因为COUNTER是mut可变的，并且访问可变静态变量需要unsafe块）。
   • 类型限制相对宽松：static变量可以是任何类型，包括非Copy类型。不过如果是可变的static变量（mut修饰），访问时需要unsafe代码块，因为多个线程可能同时访问它，容易引发数据竞争。

对程序运行影响举例

1. const常量
   • 优点：由于内联，不会有额外的内存访问开销，提高了程序的运行效率。特别是在多次使用同一个常量值的情况下，不会因为重复存储常量值而浪费内存。例如在一个循环中多次使用const常量：

   const ONE: i32 = 1;
   fn main() {
       for _ in 0..10 {
           let result = ONE + 2;
           println!("{}", result);
       }
   }
   

   编译后，循环中的ONE直接被替换为1，没有额外的内存访问操作。
   • 缺点：如果常量值需要修改，那么需要修改源代码并重新编译整个程序，因为常量值是编译时确定的。
2. static变量
   • 优点：可以在运行时修改其值，并且可以在程序的不同部分共享这个变量。例如在一个多函数的程序中共享一个静态计数器：

   static mut COUNTER: i32 = 0;
   fn increment_counter() {
       unsafe {
           COUNTER += 1;
       }
   }
   fn print_counter() {
       unsafe {
           println!("COUNTER: {}", COUNTER);
       }
   }
   fn main() {
       increment_counter();
       increment_counter();
       print_counter();
   }
   

   这里不同的函数可以通过静态变量COUNTER共享数据。
   • 缺点：由于存在于静态内存且生命周期长，可能会导致内存占用增加。而且可变静态变量的访问需要unsafe代码块，使用不当容易引发内存安全问题，如数据竞争（在多线程环境下）。