什么是Rust中的“胖指针”？

Question

我已经在多个上下文中阅读过“胖指针”一词，但是我不确定它的确切含义以及何时在Rust中使用它。该指针似乎是普通指针的两倍，但我不明白为什么。它也似乎与特征对象有关。

Answer 1

术语“胖指针”用于表示对动态大小类型（DST）–切片或特征对象的引用和原始指针。胖指针包含一个指针以及一些使DST“完成”的信息（例如长度）。

Rust中最常用的类型不是 DST，而是在编译时已知的固定大小。这些类型实现了Sized特质。甚至管理动态大小的堆缓冲区的类型（例如Vec<T>），Sized因为编译器都知道Vec<T>实例将在堆栈上占用的确切字节数。目前，Rust中有四种不同的DST。

切片（[T]和str）

类型[T]（对于any T）是动态调整大小的（特殊的“字符串切片”类型也是如此str）。这就是为什么您通常只将其视为&[T]或&mut [T]，即在引用后面。该参考是所谓的“胖指针”。让我们检查：

dbg!(size_of::<&u32>());
dbg!(size_of::<&[u32; 2]>());
dbg!(size_of::<&[u32]>());

打印（进行一些清理）：

size_of::<&u32>()      = 8
size_of::<&[u32; 2]>() = 8
size_of::<&[u32]>()    = 16

因此，我们看到对普通类型u32的引用（如对array的引用）的长度为8个字节[u32; 2]。这两种类型不是DST。但是与[u32]DST一样，对其的引用也要大一倍。对于切片，“完成” DST的其他数据就是长度。因此，可以说的表示形式&[u32]是这样的：

struct SliceRef { 
    ptr: *const u32, 
    len: usize,
}

特质对象（dyn Trait）

当使用特征作为特征对象（即类型被擦除，动态调度）时，这些特征对象就是DST。例：

trait Animal {
    fn speak(&self);
}

struct Cat;
impl Animal for Cat {
    fn speak(&self) {
        println!("meow");
    }
}

dbg!(size_of::<&Cat>());
dbg!(size_of::<&dyn Animal>());

打印（进行一些清理）：

size_of::<&Cat>()        = 8
size_of::<&dyn Animal>() = 16

同样，&Cat由于Cat是普通类型，因此只有8个字节大。但是dyn Animal是特征对象，因此具有动态大小。因此，&dyn Animal为16个字节。

对于特征对象，完成DST的其他数据是指向vtable（vptr）的指针。我在这里不能完全解释vtables和vptrs的概念，但是它们用于在此虚拟调度上下文中调用正确的方法实现。vtable是静态数据，基本上每个方法只包含一个函数指针。这样，对特征对象的引用基本上表示为：

struct TraitObjectRef {
    data_ptr: *const (),
    vptr: *const (),
}

（这与C ++不同，在C ++中，抽象类的vptr存储在对象中。这两种方法都有其优点和缺点。）

自定义DST

实际上，可以通过具有最后一个字段为DST的结构来创建自己的DST。但是，这种情况很少见。一个突出的例子是std::path::Path。

指向自定义DST的引用或指针也是胖指针。附加数据取决于结构内部DST的类型。

例外：外部类型

在RFC 1861中，extern type引入了该功能。外部类型也是DST，但是指向它们的指针不是胖指针。或更确切地说，如RFC所述：

在Rust中，指向DST的指针携带有关所指向对象的元数据。对于字符串和切片，这是缓冲区的长度，对于特征对象，这是对象的vtable。对于外部类型，元数据很简单()。这意味着指向extern类型的指针具有与a相同的大小usize（即，它不是“胖指针”）。

但是，如果您不与C接口交互，则可能永远不必处理这些外部类型。

上面，我们已经看到了不可变引用的大小。胖指针对可变引用，不可变的原始指针和可变的原始指针的作用相同：

size_of::<&[u32]>()       = 16
size_of::<&mut [u32]>()   = 16
size_of::<*const [u32]>() = 16
size_of::<*mut [u32]>()   = 16