--- title: 基础类型与内存布局 url: https://doc.liz6.com/rust/02-type-system/01-primitive-types-and-memory-layout locale: zh area: rust tags: - rust - 类型系统 date: 2026-06-30 modified: 2026-06-30 description: Rust 的每个类型都有精确的内存布局——整数和浮点按位宽对齐,struct 有 padding,零大小类型(ZST)占 0 字节,niche optimization 让 Option 和 bool 一样大(因为 bool 只有 0/1,编译器用 2 的位模式表示 None)。理解布局是理解为什么 Rust 没有"… --- # 基础类型与内存布局 > Rust 的每个类型都有精确的内存布局——整数和浮点按位宽对齐,struct 有 padding,零大小类型(ZST)占 0 字节,niche optimization 让 `Option` 和 `bool` 一样大(因为 bool 只有 0/1,编译器用 2 的位模式表示 None)。理解布局是理解为什么 Rust 没有"装箱开销"的前提。 ## 标量类型: 不仅是"和 C 差不多" Rust 的整数类型和 C 看起来一样——`i32`, `u64` 等等——但语义上有重要区别： ```rust let x: u8 = 255; // x + 1: debug mode → panic!("attempt to add with overflow") // release mode → wraps to 0 (two's complement, 无未定义行为) // 三种显式溢出处理: 255u8.checked_add(1) // None (返回 Option, 不 panic) 255u8.wrapping_add(1) // 0 (明确要 wrap) 255u8.saturating_add(1) // 255 (饱和运算) ``` C 中 signed integer overflow 是 UB。Rust 中即使 release mode 的 wrap 也是定义好的行为——不是 UB。但 debug mode 的 panic 让你在测试中暴露溢出 bug。 ## 类型大小和对齐 每种类型有确定的 `size_of` 和 `align_of`，不依赖平台（除了 `isize/usize`）： ```rust use std::mem::{size_of, align_of}; size_of::() // 1 size_of::() // 8 size_of::() // 1 (不是 1 bit! 内存最小寻址单位是 byte) size_of::() // 4 (Unicode scalar value, 不是 code point) size_of::<()>() // 0 (unit type, ZST) size_of::<&i32>() // 8 (64-bit) or 4 (32-bit) ``` `bool` 占 1 byte 的原因：CPU 指令集寻址的最小单位是 byte。Rust 不允许取 `bool` 的某一位的地址。如果需要紧凑存储 bool 数组，用 `bitvec` crate 或 `Vec` 手动 bit-packing。 ## char: 4 bytes = 一个 Unicode scalar value ```rust let c: char = 'あ'; // U+3042, 3 bytes in UTF-8, 4 bytes as char size_of::() // 4 // char 和 string 的关系: let s = "あ"; // &str, 3 bytes: [E3, 81, 82] let c = 'あ'; // char, 4 bytes: 0x00003042 ``` `char` 代表一个 Unicode scalar value（0x0000~0xD7FF, 0xE000~0x10FFFF），不是"一个字符"（user-perceived character 可能是多个 scalar values 组合，如 é = e + ́）。这与 Go 的 `rune`（=int32）类似。 ## 复合类型的内存布局 ```rust #[repr(C)] struct C { a: u8, b: u32, c: u16 } // memory: [a:1B][padding:3B][b:4B][c:2B][padding:2B] = 12 bytes // C ABI: 字段按声明顺序, 自动 padding 满足对齐要求 struct Rust { a: u8, b: u32, c: u16 } // 默认 layout: 编译器可以重排字段以优化大小! // 可能排列为: [b:4B][c:2B][a:1B][padding:1B] = 8 bytes ``` 默认 Rust layout 不保证顺序——编译器可以 reorder 字段来减小 padding。如果需要与 C 互操作或保证稳定布局，必须 `#[repr(C)]`。 ## 数组: 大小是类型的一部分 ```rust let arr1: [i32; 3] = [1, 2, 3]; // 编译期固定大小 let arr2: [i32; 1000] = [0; 1000]; // 栈上 4000 bytes! fn take_arr(arr: [i32; 1000]) { ... } // 按值传递: 拷贝整个 4000 bytes fn take_slice(arr: &[i32]) { ... } // 引用传递: 只拷贝 fat pointer (16 bytes) ``` 数组按值传递会复制整个数组——因为 Rust 的 move semantics 对数组是逐元素复制。对于大数组，总是传 `&[T]` 或 `&[T; N]`。 ## ZST (Zero-Sized Types): 编译时隐形的魔法 ```rust struct NoData; // 0 bytes let x = NoData; // 不占任何栈空间 let arr: [NoData; 1_000_000]; // 0 bytes! 没有分配任何内存 // ZST 的实用价值: HashMap 的 key use std::collections::HashSet; let set: HashSet = ...; // 只区分"存在"和"不存在" ``` 编译器在生成代码时完全省略 ZST 的存储和传递——它们不存在于运行时的任何地方，只有类型层面的意义。 ## Niche Optimization: 零成本的 Option Rust 编译器利用"不可能的比特模式"来节省 enum 的空间： ```rust size_of::>() // 1 byte, not 2! // bool 只有 0x00 (false) 和 0x01 (true) 两个有效值 // 编译器用 0x02 表示 None → 不需要额外的 discriminant field size_of::>() // 8 bytes, not 16! // &T 保证 non-null → 编译器用 nullptr 编码 None // 解引用 Option<&T> 时: 先检查是否为 null → None → panic/return None // → Some 则就是正常引用 size_of::>>() // 8 bytes — Box 内部是 non-null ptr size_of::>>() // 8 bytes — 两个 niche: nullptr 和 ...? // 实际上 Option<&T> 只有一个 niche (null) // Option> 需要 2 niche values → 16 bytes (two words) ``` 这个优化是 Rust 能在系统级安全中保持零开销的关键——你不需要为 `Option<&T>` 付出额外的内存或运行时代价。 ## 参考 - **Rust Reference**: Type Layout (section "Data Layout") - **Rustonomicon**: Exotic Sizes, repr, alignment - **RFC**: RFC 139 (niche optimization) *Keywords: integer types, alignment, repr(C), ZST, niche optimization, Option<&T>, layout, size_of, align_of*