解读

国内面试官问“如何用 #[repr(u8)] 控制枚举大小”时，真正想考察的是你对 Rust 内存布局、ABI 可控性以及 FFI/嵌入式场景下“字节级对齐”的理解深度。
他们并不满足于“加属性就能变小”这种表面答案，而是希望听到：

1. 默认 discriminant 类型如何决定枚举大小；
2. 为什么 u8 能把 64 位机器上的 tag 从 8 字节压到 1 字节；
3. 什么时候会触发编译器拒绝；
4. 与 C 交互时如何防止“布局踩踏”；
5. 在高性能场景里如何利用 repr(u8) 做“零成本状态机”。
   一句话：面试官要的是“能把内存省到字节、还能讲出风险”的候选人。

知识点

1. 默认布局：Rust 枚举默认使用 isize 作为 discriminant，对齐到机器字长，64 位下 tag 占 8 字节，导致空枚举也占 8 字节。
2. #[repr(Int)] 族：显式指定 discriminant 的整型，Int ∈ {u8, u16, u32, u64, i8…}，同时保持 Rust 的“tagged union”语义不变。
3. 大小计算规则：
   size = max(variant_payload) 的对齐后大小 + discriminant 大小，再整体对齐到 max(align(max_payload), align(discriminant))。
   因此把 discriminant 从 8 字节压到 1 字节，可直接省 7 字节，且整体对齐可能从 8 降到 1。
4. 安全性边界：
   • 当变体带数据时，repr(u8) 不会做任何位级压缩，不会引入未定义行为；
   • 若手动给 discriminant 赋值超出 u8 范围（>255），编译器 直接报错，而非静默截断；
   • 与 C 交互时，必须保证 C 端结构体也用 uint8_t 作为 tag，否则 ABI 不一致。
5. 零成本状态机：在嵌入式或网络协议解析中，用 repr(u8) 枚举做阶段标记，既保证单字节存储，又能用 match 获得分支预测友好的跳转表。
6. 与 repr(C) 区别：repr(C) 只保证 C 兼容的 布局顺序，不压缩 tag；repr(u8) 既压缩 tag 又保留 Rust 语义，两者可叠加：#[repr(C, u8)]，此时布局与 C 的 tagged union 完全一致，方便裸指针转换。

答案

#[repr(u8)]          // 强制 discriminant 为 u8
enum State {
    Init    = 0,
    Running = 1,
    Done    = 2,
}

fn main() {
    use std::mem;
    println!("size = {}", mem::size_of::<State>()); // 输出 1
}

步骤拆解：

1. 在 enum 前加 #[repr(u8)]，编译器把 tag 类型从默认 isize 改为 u8；
2. 由于三个变体都不带数据，payload 大小为 0，最终大小等于 1 字节；
3. 若变体带数据，例如 Running(u32)，则大小为 4（payload）+ 1（tag）再对齐到 4，共 5 字节，但对齐到 4 后实际占 8 字节；
4. 如果尝试 #[repr(u8)] enum Foo { X = 256 }，编译器 立刻报错：literal out of range for u8；
5. 与 C 交互时，C 端对应定义

   typedef struct { uint8_t tag; union { ... } data; } State;
   

   即可安全 transmute。

拓展思考

1. 单字节枚举的位级技巧：在嵌入式寄存器映射中，可把 repr(u8) 枚举再包一层 #[repr(transparent)] struct Reg(u8)，实现“强类型 + 单字节 MMIO”，既防止误写非法状态，又保证零开销。
2. 与 const-generic 结合：做协议解析时，用 #[repr(u8)] enum Phase<const N: u8>，编译期即可算出最大合法 discriminant，避免手工维护魔数。
3. 风险案例：某国产数据库曾把 #[repr(u8)] 枚举通过 FFI 传给 C++，但 C++ 端 tag 声明为 enum class : uint32_t，导致高位 3 字节未初始化，在 ARM 大端机器上触发 UB。修复方案是 Rust 端改用 #[repr(C, u32)]，保持两边宽度一致。
4. 面试加分话术：
   “除了省内存，repr(u8) 还能让状态机数组直接映射到 flash 段，做到常量表与代码段同址，减少一次 load 指令；在 48 MHz 的 Cortex-M0 上，我实测把协议解析延迟从 2.1 µs 降到 1.3 µs。”
   这类量化数据是国内面试官最愿意听到的“工程落地感”。