Rust裸指针元数据含义及DST元数据相关技术疑问

问题背景 #

我想了解Rust中的Raw pointer metadata是什么，同时有以下困惑：为什么Box中的裸指针元数据是()，但栈上的sized类型转为动态类型后，其元数据是slice（[T]）的元素数量（类型为usize，符合Pointee文档描述）。我编写了测试代码，但实际结果和预期不符，同时希望能有更多示例解释DST（动态大小类型）的元数据。

测试代码如下：

#![feature(box_as_ptr)]
#![feature(ptr_metadata)]
#![allow(unused)]
struct MySuperSliceable<T: ?Sized> {
    info: u32,
    data: T,
}

fn main() {
    let sized: MySuperSliceable<[u8; 8]> = MySuperSliceable {
        info: 17,
        data: [0; 8],
    };
    let box_sized = Box::new(MySuperSliceable {
        info: 18,
        data: [0; 12],
    });
    
    let dynamic: &MySuperSliceable<[u8]> = &sized;
    let box_dynamic = Box::as_ptr(&box_sized);

    assert_eq!(std::ptr::metadata(dynamic), 8_usize);
    assert_eq!(std::ptr::metadata("hello, world!"), 13_usize);
    let a = 10;
    assert_eq!(std::ptr::metadata(&a), ());
    
    assert_eq!(std::ptr::metadata(box_dynamic), ());
    assert_eq!(std::ptr::metadata(box_sized.as_ref()), ());
}

我原本认为最后两个断言应该返回12_usize，但实际结果是()，这和预期不符。

核心概念：Raw Pointer Metadata #

Rust中指针分为两类：

• 瘦指针：指向固定大小类型（Sized Type）的指针，仅包含内存地址，元数据为()——因为固定大小类型的内存占用是编译期确定的，不需要额外信息。
• 胖指针：指向动态大小类型（DST）的指针，由「内存地址 + 元数据」两部分组成。元数据的类型和内容由Pointee trait定义，不同DST的元数据规则不同：
  • 切片类型（[T]）的元数据是切片的长度（usize）
  • trait对象（dyn Trait）的元数据是虚表（vtable）的指针
  • 自定义DST的元数据由其内部的DST成员决定（比如MySuperSliceable<[u8]>的元数据就是内部[u8]的长度）

代码困惑解析 #

问题出在box_sized的类型判定上：

• box_sized的类型是Box<MySuperSliceable<[u8; 12]>>，其中[u8;12]是固定大小数组（Sized类型），因此整个MySuperSliceable<[u8;12]>属于固定大小类型。
• Box::as_ptr(&box_sized)返回的是*const MySuperSliceable<[u8;12]>，这是一个瘦指针，元数据自然为()。
• box_sized.as_ref()得到的&MySuperSliceable<[u8;12]>同样是指向固定大小类型的引用，元数据也是()。

如果要得到预期的12_usize，需要将box_sized转换为指向DST类型的Box：

// 将sized类型的Box转换为DST类型的Box
let box_dynamic: Box<MySuperSliceable<[u8]>> = box_sized;
// 此时的裸指针是胖指针，元数据为slice长度12
assert_eq!(std::ptr::metadata(Box::as_ptr(&box_dynamic)), 12_usize);
assert_eq!(std::ptr::metadata(box_dynamic.as_ref()), 12_usize);

转换后，Box持有MySuperSliceable<[u8]>这个DST类型，对应的指针就是胖指针，元数据就是内部slice的长度。

DST元数据额外示例 #

1. 切片类型的元数据 #

#![feature(ptr_metadata)]
fn main() {
    let arr = [10, 20, 30];
    let slice: &[i32] = &arr[0..2];
    // 元数据是切片的长度2
    assert_eq!(std::ptr::metadata(slice), 2_usize);
}

2. Trait对象的元数据 #

#![feature(ptr_metadata)]
trait Shape { fn area(&self) -> f64; }
struct Circle { radius: f64 }
impl Shape for Circle {
    fn area(&self) -> f64 { std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius }
}

fn main() {
    let circle = Circle { radius: 2.0 };
    let shape: &dyn Shape = &circle;
    // 元数据是vtable指针，可打印其地址
    let vtable_ptr = std::ptr::metadata(shape);
    println!("Trait object vtable address: {:p}", vtable_ptr);
}

3. 自定义DST的元数据 #

#![feature(ptr_metadata)]
struct Wrapper<T: ?Sized> {
    tag: u64,
    inner: T,
}

fn main() {
    let fixed = Wrapper { tag: 123, inner: [true; 4] };
    let dyn_wrap: &Wrapper<[bool]> = &fixed;
    // 元数据是内部切片的长度4
    assert_eq!(std::ptr::metadata(dyn_wrap), 4_usize);
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Yexuan Yang