整数类型 Integers

Rust 支持的整数类型比较全面, 下面的表格对比了rust/python/c++的整数类型的差异:

这里的 word, 在64bit的系统里, 占用8字节; 32bit的系统里, 占用4字节. 可以看到, 除了 usize/isize 之外, 其它的整数类型都是有固定位宽/字节数的.

u8 可用于表示二进制字节数据; 而在 C++ 里, 通常使用 char, 或者 unsigned char, 比如下面的片段:

const size_t kBufLen = 4096;
char buf[kBufLen];

数值可以有一些修饰, 比如:

• 0x 前缀表示十六进制整数, 0xdeadbeef
• 0o 前缀表示八进制整数, 0o4096
• 0b 前缀表示二进制整数, 0b0110
• 可以有后缀, 用于指定数据类型, 42u32
• 将整数值赋给一个变量时, 可以同时用整数类型作为后缀, let x = 42u64;
• 对于数值的操作符, 比如 <<, & 等, 跟在 C++ 中一致
• 可以用下划线分隔, 更易读, 123_456_000_i64

Rust 几乎不会进行隐式类型转换, 比如, i32 转为 i64, 都需要显式地写明:

#![allow(unused)]
fn main() {
let x = 42i32;
assert_eq!(x as i64, 42i64);
}

整数类型的内存布局 - 大小端

什么是大小端?

• 大端 big endian: 把数据的高字节位(MSB, most significant byte)保存在内存的低地址中; 而把低字节位(LSB, least significant byte)保存在内存的高低地址中
• 小端 little endian: 把数据的高字节位保存在内存的高低地址中; 而把低字节位保存在内存的低地址中

我们以 let count: i32 = 0x12345678; 为例来说明它的内存结构.

use std::mem::size_of_val;

#[allow(unused_variables)]
fn main() {
    let count: i32 = 0x12345678;
    let alpha: u8 = 0xff;

    assert_eq!(size_of_val(&count), 4);
    assert_eq!(size_of_val(&alpha), 1);
}

在常用的小端的系统里, 它的布局是这样的:

我们可以通过调试器来检查:

在不常见的大端系统里, 它是这样的:

数值运算时溢出 overflow/underflow/wrapping

先看一段C代码:

uint8_t x = 20;
uint8_t y = x * x;

这里的变量 y会得到什么值? 可以看到相乘时, x * x == 400;, 发生了 整数溢出, 即uint8_t 能表示的最大 值是 256, 而相乘会得到 400, 超出了数值范围. 此时的处理方式是 wrap around:

• 将计算结果对 2^N 取模, 只保留最低有效位
• 400 % 2.pow(8) == 144;, 所以这里的 y == 144;

但是, C语言中的以上处理方式, 只针对无符号数值才是有效的; 如果是有符号数值出现了溢出, 那计算结果 是未知的, 这是一个未定义行为 (undefined behavior, UB).

但是针对这个问题, Rust语言提供了更加安全的处理方法. 使用同样的代码片段:

#![allow(unused)]
fn main() {
let x: u8 = 20;
#[allow(arithmetic_overflow)]
let y: u8 = x * x;
assert_eq!(y, 144u8);
}

Rust playground 默认是以 debug 编译模式运行的, 以上代码运行时会异常退出 (panic), 这种行为 是已知的确定的. 另外, #[allow(arithmetic_overflow)] 这行代码用于禁用rustc编译器的溢出检查, 这样才能编译这部分代码.

但是, 保存这部分代码到本地文件并命名为overflow.rs, 我们用 release 模式编译它:

rustc -O overflow.rs

生成的二进制文件 ./overflow 是可以正常运行的, 而且 y == 144;, 这个结果跟C语言一致.

除了以上的默认行为之外, Rust还提供了四组方法, 用于应对整数运算的溢出, 它们有不同的前缀:

• checked_xxx(), 返回值是 Option<T>, 当溢出发生时, 返回None, 比如:
  • assert_eq!((u8::MAX - 2).checked_add(3), None)
• overflowing_xxx(), 返回值是 (T, bool), 当发生溢出时, 返回(wrapped-value, true), 比如:
  • assert_eq!(u8::MAX.overflowing_add(1), (0, true))
• saturating_xxx(), 返回T, 当溢出发生时, 返回该数值类型的边界值 (saturating value), u8::MAX, i8::MIN, 比如:
  • assert_eq!(u8::MAX.overflowing_add(1), (0, true))
• wrapping_xxx(), 返回T, 当溢出发生时, 返回溢出后的值(通过取模), 比如:
  • assert_eq!(25u8.wrapping_mul(12), 44)

这里的xxx()后缀代表了不同的数值运算操作:

常用的函数

• abs(), 返回绝对值
• count_ones(), 计算比特值是1的数量
• count_zeros(), 计算比特值是0的数量
• max(), 返回两个值的最大值
• min(), 返回两个值的最小值
• pow(), 进行指数运算
• reverse_bits(), 反转比特位
• to_le(), 按小端(little-endian)顺序来解读该数值

一些常量值

• MAX, 该整数类型能表示的最大值, 比如 assert_eq!(u8::MAX, 255)
• MIN, 该整数类型能表示的最小值, 比如 assert_eq!(i8::MIN, -128)
• BITS, 该整数类型的比特数, 比如 assert_eq!(i32::BITS, 32)

参考

• Integer overflow