8 类型大小

缩小类型与内存布局

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译文 · 基于 The Rust Performance Book

类型大小

原文链接: https://nnethercote.github.io/perf-book/type-sizes.html

缩小经常实例化的类型有助于性能。

例如，如果内存占用较高，像 DHAT 这样的堆分析器可以识别热点分配点及相关类型。缩小这些类型可以减少峰值内存占用，并可能通过减少内存流量和缓存压力来改善性能。

此外，大于 128 字节的 Rust 类型使用 memcpy 复制而非内联代码。如果 memcpy 在 profile 中以非平凡的数量出现，DHAT 的「复制分析」模式会准确告诉你热点 memcpy 调用的位置及相关类型。将这些类型缩小到 128 字节或更小，可以通过避免 memcpy 调用并减少内存流量来使代码更快。

测量类型大小

std::mem::size_of 给出类型的大小（以字节为单位），但你通常还想知道确切的布局。例如，枚举可能因单个过大的变体而出人意料地大。

-Zprint-type-sizes 选项正是为此而设。它在 release 版本的 rustc 上未启用，因此你需要使用 nightly 版本的 rustc。以下是通过 Cargo 的一种可能调用方式：

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RUSTFLAGS=-Zprint-type-sizes cargo +nightly build --release

以下是 rustc 的一种可能调用方式：

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rustc +nightly -Zprint-type-sizes input.rs

它将打印所有使用中的类型的大小、布局和对齐方式的详细信息。例如，对于这个类型：

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enum E {
    A,
    B(i32),
    C(u64, u8, u64, u8),
    D(Vec<u32>),
}

它会打印以下内容，以及一些内置类型的信息。

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print-type-size type: `E`: 32 bytes, alignment: 8 bytes
print-type-size     discriminant: 1 bytes
print-type-size     variant `D`: 31 bytes
print-type-size         padding: 7 bytes
print-type-size         field `.0`: 24 bytes, alignment: 8 bytes
print-type-size     variant `C`: 23 bytes
print-type-size         field `.1`: 1 bytes
print-type-size         field `.3`: 1 bytes
print-type-size         padding: 5 bytes
print-type-size         field `.0`: 8 bytes, alignment: 8 bytes
print-type-size         field `.2`: 8 bytes
print-type-size     variant `B`: 7 bytes
print-type-size         padding: 3 bytes
print-type-size         field `.0`: 4 bytes, alignment: 4 bytes
print-type-size     variant `A`: 0 bytes

输出显示以下内容。

  • 类型的大小和对齐方式。
  • 对于枚举，判别式的大小。
  • 对于枚举，每个变体的大小（从大到小排序）。
  • 所有字段的大小、对齐方式和顺序。（注意，编译器已重新排列变体 C 的字段以最小化 E 的大小。）
  • 所有填充的大小和位置。

或者，可以使用 top-type-sizes crate 以更紧凑的形式显示输出。

一旦你知道热点类型的布局，有多种方法可以缩小它。

字段排序

Rust 编译器会自动对结构体和枚举的字段进行排序以最小化其大小（除非指定了 #[repr(C)] 属性），因此你不必担心字段排序。但还有其他方法可以最小化热点类型的大小。

缩小枚举

如果枚举有一个过大的变体，考虑将一个或多个字段装箱。例如，你可以将这个类型：

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type LargeType = [u8; 100];
enum A {
    X,
    Y(i32),
    Z(i32, LargeType),
}

改为：

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# type LargeType = [u8; 100];
enum A {
    X,
    Y(i32),
    Z(Box<(i32, LargeType)>),
}

这以 A::Z 变体需要额外堆分配为代价减小了类型大小。如果 A::Z 变体相对罕见，这更可能成为净性能收益。Box 还会使 A::Z 使用起来稍不便捷，尤其是在 match 模式中。 示例 1， 示例 2， 示例 3， 示例 4， 示例 5， 示例 6。

更小的整数

通常可以通过使用更小的整数类型来缩小类型。例如，虽然使用 usize 作为索引最自然，但将索引存储为 u32、u16 甚至 u8 通常是合理的，然后在使用点强制转换为 usize。 示例 1， 示例 2。

装箱切片

Rust 向量包含三个字：长度、容量和指针。如果你有一个不太可能在未来更改的向量，可以使用 Vec::into_boxed_slice 将其转换为装箱切片。装箱切片只包含两个字：长度和指针。任何多余的元素容量将被丢弃，可能导致重新分配。

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# use std::mem::{size_of, size_of_val};
let v: Vec<u32> = vec![1, 2, 3];
assert_eq!(size_of_val(&v), 3 * size_of::<usize>());

let bs: Box<[u32]> = v.into_boxed_slice();
assert_eq!(size_of_val(&bs), 2 * size_of::<usize>());

或者，可以使用 Iterator::collect 直接从迭代器构造装箱切片。如果事先知道迭代器的长度，这可以避免任何重新分配。

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let bs: Box<[u32]> = (1..3).collect();

装箱切片可以使用 slice::into_vec 转换为向量，无需任何克隆或重新分配。

ThinVec

装箱切片的替代方案是 thin_vec crate 的 ThinVec。它在功能上等同于 Vec，但将长度和容量存储在与元素相同的分配中（如果有元素的话）。这意味着 size_of::<ThinVec<T>> 只有一个字。

ThinVec 是经常实例化的类型中、通常为空向量的良好选择。如果最大变体包含 Vec，也可用于缩小枚举的最大变体。

避免回退

如果某个类型足够热点，其大小可能影响性能，使用静态断言确保它不会意外回退是个好主意。以下示例使用 static_assertions crate 的宏。

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  // 此类型使用频繁。确保它不会无意中变大。
  #[cfg(target_arch = "x86_64")]
  static_assertions::assert_eq_size!(HotType, [u8; 64]);

cfg 属性很重要，因为类型大小在不同平台上可能不同。将断言限制在 x86_64（通常是最广泛使用的平台）上，在实践中可能足以防止回退。

最后修改 August 23, 2026: 更新 (499855b16)