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Rust 的内存布局设计强调效率、安全性和明确性，其布局规则由类型定义和编译器优化共同决定。以下是对 Rust 各类对象内存布局的详细分析：

一、基础类型布局

标量类型：
- 整数：i32/u32 占 4 字节，对齐 4 字节
- 浮点数：f64 占 8 字节，对齐 8 字节
- 布尔值：bool 占 1 字节（0x00 或 0x01）
- 字符：char 占 4 字节（UTF-8 编码）
复合类型：
- **元组 (T1, T2)**：字段顺序排列，按最大对齐要求填充。
  1
  (i32, u8) // 布局：[i32][u8][填充3字节] → 总大小8字节
- **数组 [T; N]**：连续存储，无填充。
  1
  [u16; 3] // 布局：[u16][u16][u16] → 总大小6字节

二、结构体（Struct）布局

1. 默认布局（Rust布局）

字段顺序：编译器可能重排字段以最小化填充。
对齐：按字段中最大对齐要求对齐。

示例：

struct RustStruct {
    a: u8,   // 1字节
    b: u32,  // 4字节（对齐4）
    c: u16,  // 2字节
}
// 优化后布局：[b(4)][c(2)][a(1)][填充1] → 总大小8字节

2. `#[repr(C)]` 布局

字段顺序：严格按声明顺序排列。
对齐：同 C 语言规则。

示例：

#[repr(C)]
struct CStruct {
    a: u8,   // 1字节
    b: u32,  // 4字节（对齐4）
    c: u16,  // 2字节
}
// 布局：[a(1)][填充3][b(4)][c(2)] → 总大小12字节

3. 特殊布局属性

**#[repr(packed)]**：取消填充（可能牺牲性能）。
**#[repr(align(n))]**：强制对齐到 n 字节。

三、枚举（Enum）布局

1. 带数据枚举

标签联合（Tagged Union）：
- 标签（Discriminant）：标识当前变体（通常为 usize）。
- 联合体（Union）：存储变体数据。

示例：

enum MyEnum {
    A,               // 无数据
    B(u32),          // 包含u32
    C { x: u8, y: u8 } // 包含结构
}
// 布局：[标签][联合体] → 标签大小 + 最大变体大小

2. 优化策略

空指针优化：Option<&T> 中 None 用 0 表示，无需额外标签。
标签压缩：尝试用最小整数存储标签。
变体数据内联：小数据类型直接内联。

3. `#[repr(u8)]` 等

显式指定标签类型：

#[repr(u8)]
enum HttpStatus {
    Ok = 200,
    NotFound = 404,
}

四、动态类型与智能指针

**切片（Slice） &[T]**：
- 胖指针：[指针, 长度] → 16 字节（64位系统）。
- 内存连续：元素紧密排列。
**字符串 &str**：
- 同切片布局：[指针, 长度]。
**Box<T>**：
- 瘦指针：指向堆内存 → 8 字节（64位系统）。
- 内存布局：堆上存储 T 的值。
**Vec<T>**：
- 三元组：[指针, 长度, 容量] → 24 字节（64位系统）。
- 堆内存：连续存储元素。
**特征对象 &dyn Trait**：
- 胖指针：[数据指针, vtable指针] → 16 字节。
- vTable：包含方法指针、类型大小和对齐信息。

五、零大小类型（ZST）

特点：大小=0，对齐=1。
示例：struct Nothing;、()。
优化：编译器消除ZST的实际内存分配。

六、动态大小类型（DST）

特点：编译期大小未知（如 [T]、dyn Trait）。
使用限制：必须通过指针（如 &[T]、Box<dyn Trait>）间接访问。

七、内存对齐控制

对齐规则：

struct AlignExample {
    a: u8,    // 对齐1
    b: u32,   // 对齐4 → 结构体对齐=4
}

手动对齐：

1 2	#[repr(align(8))] struct ForceAligned(u32); // 强制对齐到8字节

八、查看内存布局的工具

std::mem 函数：

1 2	std::mem::size_of::<T>() // 类型大小 std::mem::align_of::<T>() // 对齐要求

**#[derive(Debug)]**：结合调试器查看内存。
第三方库：如 std::mem::transmute（谨慎使用）、bytemuck。

总结表

类型	布局特点	示例大小（64位）
标量类型	紧密排列，无填充	`i32`: 4字节
默认结构体	字段重排优化填充	优化后可能≤12字节
`#[repr(C)]` 结构体	严格声明顺序，可能填充	可能12字节
枚举	标签联合 + 优化策略	通常8-24字节
切片 `&[T]`	胖指针（数据指针 + 长度）	16字节
`Box<T>`	瘦指针（指向堆数据）	8字节
`Vec<T>`	三元组（指针 + 长度 + 容量）	24字节
特征对象 `&dyn T`	胖指针（数据指针 + vTable指针）	16字节
ZST	不占实际空间	0字节

通过理解这些规则，您可以预测数据的内存占用、优化性能，并安全地进行FFI交互。Rust的布局设计在保证安全的同时，尽可能追求高效率。

一、基础类型布局

二、结构体（Struct）布局

1. 默认布局（Rust布局）

2. #[repr(C)] 布局

3. 特殊布局属性

三、枚举（Enum）布局

1. 带数据枚举

2. 优化策略

3. #[repr(u8)] 等

四、动态类型与智能指针

五、零大小类型（ZST）

六、动态大小类型（DST）

七、内存对齐控制

八、查看内存布局的工具

总结表

2. `#[repr(C)]` 布局

3. `#[repr(u8)]` 等