解读

在国内 Rust 岗位面试中，const 泛型（稳定版 1.51 起）是区分“写过业务”与“写过库”的试金石。面试官通常不会只问“语法怎么写”，而是围绕“为什么需要、边界在哪、如何降级兼容”层层追问，以此判断候选人对编译期计算、ABI、向后兼容、标准库源码的熟悉度。回答时必须给出可编译、可跑、可单元测试的代码片段，并主动说出“稳定版本要求”“报错信息长什么样”“如何与 trait 搭配”这三点，才能拿到高分。

知识点

1. 语法骨架：struct Foo<const N: usize>；impl<const N: usize> Foo<N>；fn bar<const M: i32>() {}
2. 允许的类型：整型、布尔、字符（char）与 &'static str（1.77 起）；不允许 f32/f64 或自定义结构体
3. 默认值写法：struct Buffer<T, const N: usize = 1024>([T; N]);
4. where 子句 过滤：impl<const N: usize> Buffer<u8, N> where [u8; N]: Default {}
5. 与 trait 搭配：
   • 无法把 const N 直接写进 trait 定义，但可用关联常量绕开
   • 使用 typenum 做非稳定版前的兼容方案
6. 数组 [T; N] 的里程碑：有了 const 泛型后，标准库才真正实现“数组 impl Default/Iterator/FromIterator”，不再需要 array_impl! 宏
7. 常见编译错误：
   • error: unconstrained generic constant → 缺少 where [T; N]: 约束
   • error: generic parameters must not be used inside of non trivial constant values → 表达式里用了泛型参数，需改用 #![feature(generic_const_exprs)]（nightly）
8. 版本要求：1.51 稳定可用；1.79 开始支持 ~const Destruct 等更复杂的 const trait bound
9. 性能视角：const 泛型零运行时开销，编译期单态化后等同于手写 struct Foo_16 { buf: [u8; 16] }
10. 工程落地：
    • 嵌入式 Buffer<u8, 128> 做 DMA
    • 网络 StaticVec<T, 1518> 替代 Vec 避免堆分配
    • 加密算法固定长度 key，如 AesBlock<const ROUNDS: usize>

答案

// 1. 最小可编译示例：固定容量栈向量
#![allow(dead_code)]
use std::ops::{Index, IndexMut};

#[derive(Debug)]
pub struct StaticVec<T, const N: usize> {
    data: [T; N],
    len: usize,
}

impl<T: Default + Copy, const N: usize> StaticVec<T, N> {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            data: [T::default(); N],
            len: 0,
        }
    }

    pub fn push(&mut self, item: T) -> Result<(), &'static str> {
        if self.len >= N {
            return Err("overflow");
        }
        self.data[self.len] = item;
        self.len += 1;
        Ok(())
    }

    pub fn as_slice(&self) -> &[T] {
        &self.data[..self.len]
    }
}

// 2. 为所有长度实现统一 trait
impl<T, const N: usize> Index<usize> for StaticVec<T, N> {
    type Output = T;
    fn index(&self, i: usize) -> &T {
        &self.data[i]
    }
}

// 3. 非泛型长度特化：只为 16 字节提供 hex 打印
impl<T: std::fmt::LowerHex, const N: usize> StaticVec<T, N> {
    pub fn hex_print(&self) -> String
    where
        [T; N]: ,          // 约束长度合法
    {
        self.as_slice()
            .iter()
            .map(|x| format!("{:02x}", x))
            .collect::<Vec<_>>()
            .join(" ")
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    #[test]
    fn it_works() {
        let mut v: StaticVec<u8, 4> = StaticVec::new();
        v.push(0xde).unwrap();
        v.push(0xad).unwrap();
        assert_eq!(v.hex_print(), "de ad 00 00");
    }
}

关键点讲解

• struct 后面紧跟 <const N: usize>，const 关键字不可省
• 数组初始化 [T::default(); N] 依赖 T: Copy，否则需用 std::array::from_fn（1.82+）
• 测试用例里 StaticVec<u8, 4> 会在编译期单态化出独立二进制，无运行时长度检查开销
• 如果面试官追问“如何支持动态长度拼接”，可答：再包一层 enum { Inline(StaticVec<T, N>), Heap(Vec<T>) } 做 small-vector 优化

拓展思考

1. 向下兼容：如果公司代码库仍要支持 1.45，如何用宏 + typenum 模拟 const 泛型？
   答：用 typenum::U128 等标记类型，再写 macro_rules! impl_for_each，缺点是每个长度都要显式列出来，编译时间爆炸。
2. 与 #[no_std] 结合：在裸机环境，const 泛型数组彻底取代 heapless::Vec 的宏生成，减少 30% 编译时间；但需注意 .bss 段大小随 N 线性增长。
3. 泛型表达式（nightly generic_const_exprs）风险：
   • fn foo<const N: usize>() -> [u8; N + 1] 目前仍可能 ICE（内部编译器错误），生产环境务必关闭该 feature
4. 与 FFI 打交道：
   • #[repr(C)] struct Foo<const N: usize> { buf: [u8; N] } 的 ABI 与 C 端 uint8_t buf[N] 完全对等，可直接 &foo.buf as *const _ 传指针，无需 Box
5. 面试反问环节：
   • “贵司的加密模块是否用 const 泛型做 key 长度校验？”
   • “在 1.51 之前，你们怎么解决 ArrayVec 的 trait 统一问题？”
     通过反问体现你对版本演进、历史债务、跨平台部署的深度关注，可加分。