解读

在 Rust 中，trait object 的动态分发依赖编译器自动生成的虚表（vtable）。面试问“手动构建”并不是让你去改编译器，而是考察三点：

1. 你是否理解 dyn Trait 背后到底长什么样；
2. 能否用 裸指针+内存布局 把“虚表指针+数据指针”拼出来；
3. 是否知道 unsafe 边界与 ABI 稳定性 在国内生产代码中的红线。

国内大厂（华为、阿里、字节、PingCAP）的高性能中间件团队，常把手动 vtable 用在 零拷贝网络框架、嵌入式 MCU 无 alloc 场景、FFI 暴露 C 接口 等场合；答不出内存布局细节会被直接降档。

知识点

• trait object 内存布局：两个裸指针（data *mut u8, vtable *mut Vtable）
• vtable 字段顺序：drop_in_place 指针、size、align、fn 指针序列，Rust 目前使用 C 布局 且 按 trait 声明顺序 排列，但不是稳定 ABI
• 手动构造步骤：定义 repr(C) 的 Vtable 结构体 → 为具体类型实现每个函数 → 用 static 或 const 生成唯一实例 → 用 raw::TraitObject 或自己拼结构体转 dyn Trait
• 安全边界：必须保证
  1. 实例生命周期 > trait object 使用周期
  2. 禁止跨动态库传递手工 vtable（ABI 不兼容）
  3. 所有函数指针满足 extern "Rust" 调用约定 且 不捕获泛型参数
• 国内代码审查常见卡点：禁止在 so 热插拔场景使用手工 vtable；必须配套单元测试做 miri 检测

答案

use std::{mem, ptr, raw};

// 1. 定义 trait
trait Logger {
    fn log(&self, msg: &str);
    fn flush(&self);
}

// 2. 手动 vtable 的 C 布局
#[repr(C)]
struct LoggerVtable {
    drop_in_place: unsafe fn(*mut u8),
    size: usize,
    align: usize,
    log: unsafe fn(*const u8, &str),
    flush: unsafe fn(*const u8),
}

// 3. 具体类型
struct Console;

impl Logger for Console {
    fn log(&self, msg: &str) {
        println!("[Console] {}", msg);
    }
    fn flush(&self) {
        println!("[Console] flush");
    }
}

// 4. 为 Console 生成 vtable 实例
unsafe fn console_drop(ptr: *mut u8) {
    ptr::drop_in_place(ptr as *mut Console);
}

static CONSOLE_VTABLE: LoggerVtable = LoggerVtable {
    drop_in_place: console_drop,
    size: mem::size_of::<Console>(),
    align: mem::align_of::<Console>(),
    log: |ptr, s| (*(ptr as *const Console)).log(s),
    flush: |ptr| (*(ptr as *const Console)).flush(),
};

// 5. 手动拼装 trait object
fn make_console_logger() -> Box<dyn Logger> {
    let data = Box::new(Console);
    let raw_trait = raw::TraitObject {
        data: Box::into_raw(data) as *mut (),
        vtable: &CONSOLE_VTABLE as *const LoggerVtable as *mut (),
    };
    unsafe { mem::transmute::<raw::TraitObject, Box<dyn Logger>>(raw_trait) }
}

fn main() {
    let logger: Box<dyn Logger> = make_console_logger();
    logger.log("hello vtable");
    logger.flush();
}

要点回顾：

• repr(C) 保证字段顺序，对齐与大小必须和真实类型一致
• 使用 raw::TraitObject 而不是自己拼结构体，避免未来布局变动导致 UB
• 所有函数指针用 闭包 |...| 语法生成零捕获的 fn 项，确保可安全转换为 extern "Rust"

拓展思考

1. 如果 trait 带 关联类型或泛型参数，手动 vtable 会立即失效，因为 单态化后符号名无法统一；国内工程实践会改用 erased-serde 的思路，先做类型擦除再手动 vtable。
2. 在 no_std + no_alloc 场景（如海思 MCU），可以把 vtable 放到 .rodata 段，数据指针指向 static 实例，从而 零堆分配 实现动态分发；此时必须 关闭编译器 LTO，防止 vtable 被误删。
3. 当需要 跨语言暴露 C 接口 时，把 vtable 指针作为 第一个参数 显式传递，函数签名改为 extern "C"，并在 build.rs 中用 cbindgen 生成头文件；这是国内云原生插件（如 Envoy Rust SDK）的标准做法。
4. 未来 Rust 官方可能引入稳定的 trait vtable ABI（RFC 3397 草案），一旦落地，手动构造的代码需加上 #[rustc_stable_vtable] 属性才能通过 cargo crete 审核，否则会被安全团队拒绝入库。