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面试题:在 Rust 中实现自定义动态大小类型及相关机制

假设你需要在 Rust 中实现一个自定义的动态大小类型,要求这个类型支持运行时确定大小,并且可以像标准库中的 DST 类型(如 trait 对象)一样被合理地使用。请阐述整体的设计思路,包括但不限于如何定义类型、如何处理大小相关的元数据、怎样实现 trait 来支持必要的操作,以及在与其他 Rust 特性(如所有权系统)结合时可能遇到的问题和解决方案。
18.9万 热度难度
编程语言Rust

知识考点

AI 面试

面试题答案

一键面试

设计思路

  1. 定义类型

    • 使用 unsized 关键字来定义动态大小类型(DST)。例如,定义一个自定义的 trait MyTrait,并基于此创建一个 trait 对象的类似类型。
    trait MyTrait {
        fn do_something(&self);
    }
    struct MyDST<T:?Sized> {
        data: T
    }
    
    • 这里 T:?Sized 表示 T 可以是动态大小类型。
  2. 处理大小相关的元数据

    • Rust 对于 DST 类型,会在运行时通过胖指针(fat pointer)来处理大小相关的元数据。胖指针通常由两部分组成:数据指针和元数据指针(对于 trait 对象,元数据指针指向 trait 对象的 vtable,包含方法指针等信息)。
    • 对于自定义的 DST,比如 MyDST,如果 T 是 DST,编译器会自动处理胖指针的构建和使用。例如,在传递 MyDST<impl MyTrait> 类型时,实际上传递的是一个胖指针,其中包含了 impl MyTrait 对象的数据指针以及 MyTrait 的 vtable 指针。
  3. 实现 trait 来支持必要的操作

    • 实现标准库中的一些 trait,如 DerefDerefMut,以便能够像操作常规类型一样操作内部的 DST 数据。
    use std::ops::{Deref, DerefMut};
    impl<T:?Sized> Deref for MyDST<T> {
        type Target = T;
        fn deref(&self) -> &T {
            &self.data
        }
    }
    impl<T:?Sized> DerefMut for MyDST<T> {
        fn deref_mut(&mut self) -> &mut T {
            &mut self.data
        }
    }
    
    • 实现 MyTrait 来定义自定义的行为:
    impl<T: MyTrait +?Sized> MyTrait for MyDST<T> {
        fn do_something(&self) {
            self.data.do_something();
        }
    }
    
  4. 与所有权系统结合时可能遇到的问题和解决方案

    • 问题
      • 由于 DST 类型本身大小未知,在所有权转移时可能会出现问题。例如,不能直接将 DST 类型作为函数参数值传递(因为函数调用需要知道参数的大小)。
      • MyDST 类型包含的 DST 数据需要被移动时,可能会因为大小不确定而导致编译错误。
    • 解决方案
      • 使用引用(&)或智能指针(如 BoxRcArc)来处理 DST 类型的传递和所有权管理。例如,可以将 MyDST 包装在 Box 中:
      let my_box: Box<MyDST<impl MyTrait>> = Box::new(MyDST { data: /* 实现 MyTrait 的对象 */ });
      
      • 这样,Box 提供了一个已知大小的包装,同时内部可以持有动态大小的 MyDST<impl MyTrait>。在函数调用时,可以传递 Box<MyDST<impl MyTrait>>,所有权转移由 Box 来处理,从而绕过了 DST 大小不确定带来的问题。同时,通过 DerefDerefMut 实现,仍然可以方便地访问内部的 DST 数据。