面试题：Rust中str类型的内存布局及生命周期管理

Question

深入探讨Rust中str类型在内存中的布局方式，以及它的生命周期是如何管理的。结合示例说明当涉及到借用、所有权转移等操作时，str类型的表现及注意事项。

Answer 1

Rust 中 str 类型内存布局

1. 栈上布局：str 本身是一个胖指针（fat pointer），在栈上占据 12 个字节（64 位系统）。它由两部分组成：
   • 指向字符串数据的指针：这部分指向堆上存储的实际字符串内容。
   • 字符串的长度：记录字符串的字节长度。
2. 堆上布局：实际的字符串内容存储在堆上，以 UTF - 8 编码形式存储。例如字符串 "hello"，其在堆上存储的是 h（0x68）、e（0x65）、l（0x6c）、l（0x6c）、o（0x6f）这些 UTF - 8 编码字节序列。

Rust 中 str 类型生命周期管理

1. 静态生命周期：当 str 作为字符串字面量时，它具有 'static 生命周期。例如：

let s: &'static str = "hello";

这里的 "hello" 字符串字面量存储在程序的只读数据段，其生命周期贯穿整个程序运行期间。 2. 动态生命周期：当 str 是从其他数据结构（如 String）借用而来时，其生命周期由借用的来源决定。例如：

let mut s1 = String::from("world");
let s2: &str = &s1;

s2 的生命周期与 s1 相关联，只要 s1 存在，s2 就有效。

借用、所有权转移操作及表现

1. 借用操作：

fn print_str(s: &str) {
    println!("The string is: {}", s);
}

fn main() {
    let s1 = String::from("rust");
    print_str(&s1);
    println!("s1 is still valid: {}", s1);
}

这里 print_str 函数借用了 s1 中的 str 部分。借用期间，s1 的所有权并未转移，所以在 print_str 调用结束后，s1 仍然有效。注意借用规则要求在同一时间内，要么只能有一个可变借用（&mut str），要么可以有多个不可变借用（&str），否则会导致编译错误。 2. 所有权转移：str 本身不拥有所有权，它通常是从拥有所有权的类型（如 String）借用而来。但是，当涉及函数返回等情况时，所有权会发生转移。例如：

fn get_string() -> String {
    let s = String::from("transfer");
    s
}

fn get_str() -> &'static str {
    "static string"
}

fn main() {
    let s1 = get_string();
    let s2 = get_str();
}

get_string 函数返回 String 类型，将所有权转移给调用者 s1。get_str 函数返回 &'static str，由于字符串字面量的 'static 生命周期，调用者 s2 可以直接使用。注意在处理 str 相关操作时，要确保生命周期的正确性，避免悬空指针（dangling pointer）等问题，比如不要返回指向局部变量的 &str。