Rust中结构体字段的多态更新

Question

Rust中结构体字段的多态更新

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假设我有一个多态类型 T<A>:

#[repr(C)]
pub struct T<A> {
    x: u32,
    y: Box<A>,
}

以下是我的推理：

根据 std::boxed的内存布局部分:

只要 T: Sized，Box<T> 就保证会被表示为单个指针，并且与 C 指针（即 C 类型 T*）ABI 兼容。

这意味着无论 A 是什么，y 应该具有相同的布局；
考虑到 T 上的 #[repr(C)] 属性, 我预计对于所有的 A, T<A> 将共享相同的布局；
因此，我应该能够原地修改 y，甚至赋值不同类型的值 Box<B>。

我的问题是以下代码是否格式良好或存在未定义的行为？（下面的代码已被编辑。）

fn update<A, B>(t: Box<T<A>>, f: impl FnOnce(A) -> B) -> Box<T<B>> {
    unsafe {
        let p = Box::into_raw(t);
        let a = std::ptr::read(&(*p).y);
        let q = p as *mut T<B>;
        std::ptr::write(&mut (*q).y, Box::new(f(*a)));
        Box::from_raw(q)
    }
}

注意：

上述代码旨在进行多态更新，以便x字段保持不变。假设x不仅仅是一个u32，而是一些非常大的数据块。整个想法是改变y的类型（以及其值），而不影响字段x。

正如 Frxstrem 指出的那样，下面的代码确实会导致未定义的行为。我犯了一个愚蠢的错误：我忘记了为由 f 产生的 B 重新分配内存。看起来上面的新代码通过了 Miri 检查。

fn update<A, B>(t: Box<T<A>>, f: impl FnOnce(A) -> B) -> Box<T<B>> {
    unsafe {
        let mut u: Box<T<std::mem::MaybeUninit<B>>> = std::mem::transmute(t);
        let a = std::ptr::read::<A>(u.y.as_ptr() as *const _);
        u.y.as_mut_ptr().write(f(a));
        std::mem::transmute(u)
    }
}

- Ruifeng Xie

2

Miri说这是未定义的行为。 - Frxstrem

我造成了一个段错误。 - Aiden4

@Frxstrem 我已经更新了代码。之前的代码有误，因为它重复使用了 A 的堆内存来创建新对象 B。新代码通过了 Miri 检查。但这并不意味着它是100%正确的，对吧？ - Ruifeng Xie

@RuifengXie 没错。Miri可以找到很多错误，但不能保证它能找到所有的错误。 - Peter Hall

1

继SebastianRedl所说的，如果f发生恐慌，它会泄漏T的分配。您在修改后的unsafe代码中似乎也在其他地方做得很好。 - Aiden4

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1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- orlp · Accepted Answer

你可能会被整个 "T" 事情搞糊涂。这应该更容易分析。具体来说，请阅读这里。

use core::mem::ManuallyDrop;
use core::alloc::Layout;

unsafe trait SharesLayout<T: Sized>: Sized {
    fn assert_same_layout() {
        assert!(Layout::new::<Self>() == Layout::new::<T>());
    }
}

/// Replaces the contents of a box, without reallocating.
fn box_map<A, B: SharesLayout<A>>(b: Box<A>, f: impl FnOnce(A) -> B) -> Box<B> {
    unsafe {
        B::assert_same_layout();
        let p = Box::into_raw(b);
        let mut dealloc_on_panic = Box::from_raw(p as *mut ManuallyDrop<A>);
        let new_content = f(ManuallyDrop::take(&mut *dealloc_on_panic));
        std::mem::forget(dealloc_on_panic);
        std::ptr::write(p as *mut B, new_content);
        Box::from_raw(p as *mut B)
    }
}

然后简单地：

unsafe impl<A, B> SharesLayout<T<A>> for T<B> {}

fn update<A, B>(bt: Box<T<A>>, f: impl FnOnce(A) -> B) -> Box<T<B>> {
    box_map(bt, |t| {
        T { x: t.x, y: Box::new(f(*t.y))}
    })
}