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Rustに入門したので構造体のアライメントとパッキングの状態を明らかにする

に公開
Rust
C
構造体
tech

はじめに

前回、Rustに入門した記事を書きました。
https://zenn.dev/ka_kan/articles/2664adeb06a89b

Rustが手に馴染んでいないので、構造体の実情について深掘りしてみます。

マシンスペック

MacBook Air M2 arm64

事前知識

構造体

過去の記事にまとめていますので下記をご覧ください。
https://zenn.dev/ka_kan/articles/60801aed05f5ec

準備

Dockerのセットアップ・接続

mkdir rust-align && cd rust-align
cat << 'EOF' > Dockerfile
FROM rust:latest
RUN apt update && apt install -y vim
WORKDIR /workspace
EOF
docker build -t rust-align .
docker run --rm -it -v "$(pwd)":/workspace rust-align

実験

下記を実験してみます。

フラグ名 付いている repr 属性 想定される用途 ビルド例
repr_rust (属性なし)
＝ repr(Rust) 		Rust 内部で最適化された安全デフォルト。フィールド順は保持されるが将来的に並べ替え最適化の可能性あり。 rustc --cfg repr_rust layout.rs -o rust
repr_c #[repr(C)] C ABI 完全互換。宣言順と C のパディング規則を厳守。FFI 先で安心。 rustc --cfg repr_c layout.rs -o c
repr_packed1 #[repr(C, packed)] 1 byte アラインで隙間ゼロ。I/O やネットワークヘッダ用。ただしフィールド参照は unsafe。 rustc --cfg repr_packed1 layout.rs -o p1
repr_packed2 #[repr(C, packed(2))] 2 byte アライン（例：BLE GATT など 16 bit 境界前提のプロトコル） rustc --cfg repr_packed2 layout.rs -o p2
repr_align8 #[repr(C, align(8))] 8 byte 境界を強制。SIMD / DMA バーストやハード制約がある場合。 rustc --cfg repr_align8 layout.rs -o a8

コードは下記になります。

// layout.rs  ─ cfg フラグで 5 パターン切替
#[cfg(repr_rust)]        #[derive(Debug)] struct L { a: u8, b: u32, c: u16 }
#[cfg(repr_c)]           #[repr(C)]       struct L { a: u8, b: u32, c: u16 }
#[cfg(repr_packed1)]     #[repr(C, packed)]       struct L { a: u8, b: u32, c: u16 }
#[cfg(repr_packed2)]     #[repr(C, packed(2))]    struct L { a: u8, b: u32, c: u16 }
#[cfg(repr_align8)]      #[repr(C, align(8))]     struct L { a: u8, b: u32, c: u16 }

fn main() {
    println!("size  = {}", std::mem::size_of::<L>());
    println!("align = {}", std::mem::align_of::<L>());
}

結果

# デフォルト repr(Rust) – 自動最適 (padding 最小)
rustc --cfg repr_rust layout.rs   -o rust  && ./rust
size  = 8
align = 4

# C 互換 (宣言順・C ABI)
rustc --cfg repr_c    layout.rs   -o c     && ./c
size  = 12
align = 4

# 完全 packing (1 バイト単位)
rustc --cfg repr_packed1 layout.rs -o p1    && ./p1
size  = 7
align = 1

# 指定幅 packing (2 バイト境界)
rustc --cfg repr_packed2 layout.rs -o p2    && ./p2
size  = 8
align = 2

# 強制アラインメント 8
rustc --cfg repr_align8  layout.rs -o a8    && ./a8
size  = 16
align = 8

まとめると次の様になります。

モード size align
repr(Rust) 8B 4B
repr(C) 12B 4B
repr(C, packed) 7B 1B
repr(C, packed(2)) 8B 2B
repr(C, align(8)) 16B 8B

まとめ

Rustの構造体はモードによってメモリに優しい実装ができることがわかりました。

モード size align 理由
repr(Rust) 8B 4B Rustは自動で1byteパディングを入れ、8,8byte で揃える
repr(C) 12B 4B 宣言順のまま → u8(1)+padding(3) + u32(4) + u16(2) + padding(2)
packed(1) 7B 1B 全隙間除去．ただし b は mis-aligned
packed(2) 8B 2B 2byte境界で詰め，末尾は 8 になる
align(8) 16* 8B 末尾に8byteアラインを満たすパディング

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