如何定义 #[repr(C)] 结构体？ - 问题详情 - 创脉思

解读

国内校招/社招面试里，这道题常被用来**快速区分“写过 FFI”与“只写过纯 Rust”**的候选人。
面试官真正想听的不是“加一行属性”那么简单，而是：

你为什么敢把内存布局交给 C 决定；
你怎么保证 Rust 侧与 C 侧看到的字节级布局完全一致；
如果布局不对，你会用哪些工具在第一时间定位。
答不到这三层，基本会被归为“只看过书”。

知识点

repr(C) 的语义：把 Rust struct 的内存布局按 C 语言规则排列，字段顺序、对齐、填充均由“目标平台 C ABI”决定，Rust 编译器不再重排。
对齐与填充规则：每个字段取其 align_of::<T>() 的倍数开始；结构体整体大小是其最大对齐值的倍数。
字段顺序敏感：Rust 默认可重排，C 不允许；repr(C) 会冻结顺序，因此字段声明顺序必须与头文件一致。
ZST 与 1-ZST：Rust 的零大小类型在 repr(C) 下仍占 0 字节，但 C 侧若声明为 char _dummy[0] 会触发 UB；必须补一字节占位。
enum 的陷阱：repr(C) 只能用于无变体数据的 C-like enum，且默认底层标签是平台 int；若 C 侧用 uint8_t，必须再写 repr(u8)。
UB 边界：
– 不可包含 String、Vec、Box 等带有 Rust 特有分配器指针的字段；
– 不可包含 bool 除非 C 侧明确用 _Bool 且字节值严格 0/1；
– 不可包含 char（4 字节）去对 C 的 char（1 字节）。
验证工具链：
– cargo expand 看展开后属性；
– #[repr(C)] + static_assertions::assert_eq_size! 做编译期大小断言；
– bindgen --rust-target nightly 自动生成 Rust 侧绑定，反向比对布局；
– cbindgen 从 Rust 生成头文件，与已有 .h 文件 diff。
多平台差异：32/64 位、Windows MSVC/GNU、ARM packed 对齐差异；CI 里必须交叉编译跑测试。

答案

use std::os::raw::{c_int, c_char};

/// 与 C 头文件里
/// typedef struct {
///     int  id;
///     char name[32];
/// } person_t;
/// 保持一字节不差。
#[repr(C)]           // 1. 强制 C 布局
#[derive(Debug, Copy, Clone)]  // 2. 建议加派生，方便调试
pub struct Person {
    pub id: c_int,              // 3. 类型用 libc 别名，避免平台差异
    pub name: [c_char; 32],     // 4. 定长数组，拒绝 String
}

/// 编译期断言：Rust 侧大小 == C 侧大小
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::mem::size_of;

    #[test]
    fn layout_sanity() {
        assert_eq!(size_of::<Person>(), 36); // 4 + 32
        assert_eq!(size_of::<Person>(), size_of::<ffi::person_t>());
    }
}

关键点逐条说明：

#[repr(C)] 必须写在 struct 前面，属性作用域仅对该项生效；
所有字段类型必须能在 C 侧找到一字节兼容的对应类型；
数组长度、字段顺序、对齐值必须与头文件完全一致；
用 std::mem::transmute 或指针强转前，先用 static assertion 保证 size/align 相等，否则立即 UB；
若 C 侧用 #pragma pack(1)，Rust 侧必须再补 #[repr(C, packed(1))]，否则会出现“Rust 侧 36 字节、C 侧 33 字节”的惨案。

拓展思考

“双 repr” 组合：#[repr(C, packed(1)] 与 #[repr(C, align(64))] 同时出现时的优先级与交互规则是什么？
Rust 1.82 即将稳定的 repr(simd) 与 repr(C) 混用，如何保证向量类型在 FFI 边界不崩？
async FFI：如果结构体里要传一个 tokio::task::JoinHandle，你打算**怎样在 repr(C) 结构体里表达“不透明指针”**才能既安全又避免泄漏？
CI 实战：在 GitHub Actions 里，如何一次性跑 bindgen + cbindgen + cross 验证 x86_64、aarch64、riscv32 三种目标的 layout 一致性？
面试反杀：当面试官追问“为什么不用 repr(packed) 直接省内存”时，你可以用 “未对齐访问在 ARM 上会触发 SIGBUS” 把话题拉进底层硬件，反向展示你懂 CPU 架构，从而拿到加分。