解读

在国内 Rust 岗位面试中，内存对齐与结构体填充是高频考点。面试官不仅想知道“能不能少几个字节”，更想确认候选人是否理解对齐规则、Cache Line、ABI 兼容性以及零成本抽象的底线。回答必须体现：

1. 知道编译器为何补洞；
2. 能用稳定语法手动重排；
3. 能在安全 + 可移植前提下给出量化收益；
4. 不为了“省字节”而打破对齐保证或UB 红线。

知识点

1. 对齐系数：align_of::<T>()，Rust 遵循 C-ABI，基本类型对齐等于其大小（到 8 字节为止）。
2. 填充规则：每个字段偏移必须是其对齐的整数倍，结构体整体大小必须是最大对齐的整数倍。
3. 重排策略：按对齐从大到小降序排列，可把内部碎片降到最低。
4. 紧缩封装：
   • #[repr(packed)]——取消字段间填充，但可能产生未对齐访问；
   • #[repr(packed(2))]——指定最大对齐，仍需手动验证是否跨平台安全；
   • 对 packed 字段的借用直接产生 unsafe，面试时必须提到。
5. 位域替代：对布尔或枚举可压缩成位标志，用 bitflags 或 bool::then 构造器，避免 1 字节占 8 位。
6. 工具验证：std::mem::size_of、#[repr(C)] + cargo-expand 查看布局，配合 perf stat -e cache-misses 量化 Cache 友好度。

答案

“我会分三步走，不牺牲正确性与可移植性：

第一步，重排字段。把 u64、*mut T 这类 8 字节对齐的字段放最前，依次递减，可把原结构体

struct Packet {
    a: u8,
    b: u64,
    c: u8,
}

从 24 字节降到 16 字节，无 unsafe 代码。

第二步，语义压缩。若业务允许，把多个 bool 或 u8 状态合并成 u32 位标志，用掩码访问；对取值范围小的整数做 #[repr(u8)] 枚举，既省空间又保留类型安全。

第三步，评估 packed。只有在外部协议或 MMIO 必须按字节对齐时才加 #[repr(packed(1))]，并立即补充：

• 所有未对齐读取用 ptr::read_unaligned；
• 绝不返回引用，防止产生 UB；
• 单元测试用 #[cfg(target_arch = "...")] 保证只在已知平台启用。

最后给出量化结果：重排后 size_of::<Packet>() 从 24 → 16，减少 33%，Cache Line 占用从 2 行降到 1 行，实测热点循环 cache-miss 下降 18%。”

拓展思考

1. ABI 兼容性：如果结构体要透传给 C 库，重排后必须加 #[repr(C)]，否则 Rust 字段顺序未定义。
2. 向量指令：SSE/AVX 要求 16/32 字节对齐，过度 packed 反而导致跨 Cache Line 或触发 CPU 异常；此时可用 #[repr(align(16))] 主动抬升对齐，用空间换时间。
3. 常量泛型布局：nightly 的 #![feature(layout)] 未来允许 const N: usize 指定对齐，面试可提及“跟踪 RFC”体现技术敏感度。
4. 零拷贝切片：对 [u8] 外包 #[repr(transparent)] struct Pod([u8; 0]) 做元数据标记，既压缩头部又不破坏对齐，是网络协议栈常用技巧。