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Rust 中内存对齐

如果你曾读 CSAPP 一书，那你一定记得 CSAPP 中关于 C 语言内结构体内存对齐的描述。

内存对齐的背景和概念

当 CPU 对数据进行访问时，每次都是取指定的字节数。例如每次取 4 字节，若当前数据类型为 int, 且地址位为 0x00-0x03, 则一次性可以取出该变量；若该变量的地址为 0x02-0x05, 则会分别取0x00-0x03, 0x04-0x07 两个地址，因此会存在一定的性能消耗。

对此，可以采用内存对齐策略来优化存储，以 C 语言结构体为例：

struct ss {
 int i;
 char c;
 int j;
 char d;
} test = {
 1,
 'a',
 2,
 'b',
};

int main() {
 printf("The size of test: %lu", sizeof(test)); // 16
}

首先思考，结构体 ss 中，两个 int 类型，两个 char 类型，一共占据 10 字节。

但是，由于内存对齐策略，实际存储到内存中，char 类型需要对齐 int 类型的 4 字节，因此结构体 ss 一共占据 16 字节。

其示例图如下：

0x00 - 0x03 i0 i1 i2 i3 // 一个 int 变量占据四字节
0x04 - 0x07 c0          // 一个 char 变量占据一字节
0x08 - 0x0B j0 j1 j2 j3 // 但由于内存对齐，会对齐 int 类型的 4 字节
0x0C - 0x0F d0

以上，就是内存对齐的背景和概念。

优化 C 语言中结构体

上例中，为了优化运行耗时，内存对齐策略将原本只有 10 字节的结构体扩展到了 16 字节，此时，可以修改结构体内变量的排序来优化内存：

struct ss2 {
 int i;
 char c;
 char d;
 int j;
} test2 = {
 1,
 'a',
 'b',
 2,
};

int main() {
 printf("The size of test2: %lu", sizeof(test2)); // 12
}

结构体 ss2 生成的变量内存占据 12 字节，这是因为，char 类型的变量 d 使用了变量 c 中未使用的部分，其示例如下：

0x00 - 0x03 i0 i1 i2 i3
0x04 - 0x07 c0 d0      
0x08 - 0x0B j0 j1 j2 j3 

Rust 中的内存对齐

在 Rust 中，也有结构体的概念，但是在内存对齐的处理上与 C 语言有所不同，例如：

struct A {
 i: i32,
 u1: u8,
 j: i32,
 u2: u8,
}

fn main() {
 println!("The size of struct A: {:?}", std::mem::size_of::<A>()); // 12 
}

在 Rust 中, char 类型占据 4 个字符，因此使用 u8 代替 char.

上述代码中，i32 类型占据 4 个字节，u8 类型占据 1 个字节，两个 i32 和两个 u8 一共占据 10 个字节。

同时，按照结构体 A 的排列，遵从 C 语言的逻辑来讲，应该是占据 16 字节，但是，Rust 编译器会对结构体进行字段重排，优化内存占用，因此其字节数位 12.

如果想要禁止掉编译器的优化，则需要使用内存布局属性 repr, 其示例如下：

#[repr(C)]
struct B {
 i: i32,
 u1: u8,
 j: i32,
 u2: u8, 
}

fn main() {
 println!("The size of struct B: {:?}", std::mem::size_of::<B>()); // 16
}

感悟

这个示例并无太大难度，但是可以留下一些思考：在实际开发中，得益于高度完善的编译器、解释器等工具，开发者可以将更多的精力放到对工程代码的可读性、正确性上，而没有必要过多担心某语句、某变量、某声明是否会对运行时间带来影响。