面试题：Rust数组和切片在内存管理上的差异

Question

详细阐述Rust数组和切片在内存分配、所有权以及生命周期管理方面的主要区别，并举例说明在何种场景下会因为这些差异导致编译错误或运行时问题。

Answer 1

内存分配

• 数组：
  • 数组的大小是固定的，在编译时就确定。其内存分配在栈上（除非是静态数组，静态数组分配在静态存储区）。例如，let arr: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5]; 这里的 arr 占用的内存空间在栈上，且空间大小为 5 * sizeof(i32)。
• 切片：
  • 切片是动态大小的，其本身是一个胖指针（在64位系统上，大小为16字节，包含一个指向数据起始位置的指针和一个表示切片长度的整数）。切片所指向的数据通常分配在堆上。例如，let s = "hello".as_bytes(); 这里 s 本身在栈上，但指向的数据在堆上。

所有权

• 数组：
  • 数组拥有其包含的数据的所有权。当数组离开作用域时，数组中的数据也会被销毁。例如：

{
    let arr = [1, 2, 3];
} // 这里arr离开作用域，数组及其数据被销毁

• 切片：
  • 切片并不拥有它所指向的数据的所有权，它只是借用数据。切片所指向的数据的所有权由其他实体（如拥有堆上数据的 Vec）持有。例如：

let vec = vec![1, 2, 3];
let slice = &vec[..];

这里 vec 拥有数据所有权，slice 只是借用 vec 中的数据。

生命周期管理

• 数组：
  • 数组的生命周期与其定义的作用域相同。一旦离开作用域，数组及其包含的数据都会被释放。例如：

fn test() {
    let arr = [1, 2, 3];
    // arr 的生命周期从这里开始
    //...
} 
// arr 的生命周期在这里结束，数据被释放

• 切片：
  • 切片的生命周期依赖于它所借用的数据的生命周期。切片的生命周期必须在其所借用数据的生命周期之内。例如：

fn get_slice() -> &[i32] {
    let arr = [1, 2, 3];
    &arr // 错误！arr 在函数结束时被销毁，返回的切片指向已释放的内存
}

这里编译会报错，因为返回的切片指向的 arr 在函数结束时被销毁，导致悬垂指针。正确的做法是传递切片的所有权：

fn get_slice() -> Vec<i32> {
    let arr = vec![1, 2, 3];
    arr
}

导致编译错误或运行时问题的场景

1. 编译错误：
   • 如上述 get_slice 函数示例，当切片的生命周期超过其所借用数据的生命周期时，会导致编译错误。这是因为 Rust 编译器通过生命周期检查来确保内存安全，防止悬垂指针。
2. 运行时问题：
   • 虽然 Rust 本身通过所有权和生命周期系统避免了大部分运行时内存问题，但如果在涉及切片的操作中不小心，仍然可能出现问题。例如，使用不安全代码手动管理切片指针时，如果指针算术运算错误，可能导致访问越界，引发未定义行为。但只要遵循 Rust 的安全规则，这类运行时问题是可以避免的。