Rust 如何知道在堆栈展开期间是否运行析构函数？

Question

mem::uninitialized 的文档指出了为什么 dangerous/unsafe 使用该函数：在未初始化的内存上调用 drop 是未定义的行为。

所以我认为这段代码应该是未定义的：

let a: TypeWithDrop = unsafe { mem::uninitialized() };
panic!("=== Testing ==="); // Destructor of `a` will be run (U.B)

然而，我写了这段代码，它在安全的 Rust 中工作并且似乎没有遭受未定义行为的影响：

#![feature(conservative_impl_trait)]

trait T {
    fn disp(&mut self);
}

struct A;
impl T for A {
    fn disp(&mut self) { println!("=== A ==="); }
}
impl Drop for A {
    fn drop(&mut self) { println!("Dropping A"); }
}

struct B;
impl T for B {
    fn disp(&mut self) { println!("=== B ==="); }
}
impl Drop for B {
    fn drop(&mut self) { println!("Dropping B"); }
}

fn foo() -> impl T { return A; }
fn bar() -> impl T { return B; }

fn main() {
    let mut a;
    let mut b;

    let i = 10;
    let t: &mut T = if i % 2 == 0 {
        a = foo();
        &mut a
    } else {
        b = bar();
        &mut b
    };

    t.disp();
    panic!("=== Test ===");
}

它似乎总是执行正确的析构函数，而忽略另一个。如果我尝试使用 a 或 b（例如 a.disp() 而不是 t.disp()），它会正确地错误提示我可能正在使用未初始化的内存。令我惊讶的是，虽然 panicking，但无论 i 的值是什么，它总是运行是正确的析构函数（打印预期的字符串）。

这是怎么发生的？如果运行time 可以确定运行的哪个析构函数，是否应该从 mem::uninitialized() 的文档中删除关于实现 Drop 的类型强制需要初始化的内存部分作为链接以上？

Answer 1

使用 drop flags.

Rust（直到并包括版本 1.12）在其类型实现 Drop 的每个值中存储一个布尔标志（因此将该类型的大小增加一个字节）。该标志决定是否运行析构函数。因此，当您执行 b = bar() 时，它会为 b 变量设置标志，因此只有运行s b 的析构函数。反之亦然 a.

请注意，从 Rust 版本 1.13（在编写 beta 编译器时）开始，该标志不存储在类型中，而是存储在每个变量或临时变量的堆栈中。 Rust 编译器中 MIR 的出现使这成为可能。 MIR 显着简化了 Rust 代码到机器代码的翻译，从而使该功能能够将丢弃标志移动到堆栈。如果优化可以在编译时确定何时删除哪个对象，则通常会消除该标志。

您可以 "observe" 通过查看类型的大小，在 1.12 版之前的 Rust 编译器中使用此标志：

struct A;

struct B;

impl Drop for B {
    fn drop(&mut self) {}
}

fn main() {
    println!("{}", std::mem::size_of::<A>());
    println!("{}", std::mem::size_of::<B>());
}

在堆栈标志之前分别打印 0 和 1，在堆栈标志之前打印 0 和 0。

使用 mem::uninitialized 仍然不安全，但是，因为编译器仍然看到对 a 变量的赋值并设置丢弃标志。因此析构函数将在未初始化的内存上调用。请注意，在您的示例中， Drop impl 不会访问您类型的任何内存（丢弃标志除外，但您不可见）。因此，您没有访问未初始化的内存（无论如何，它的大小为零字节，因为您的类型是零大小的结构）。据我所知，这意味着您的 unsafe { std::mem::uninitialized() } 代码实际上是安全的，因为之后不会发生内存不安全。

Answer 2

首先，有drop flags - 用于跟踪哪些变量已被初始化的运行时信息。如果一个变量没有被赋值，drop()将不会被执行。

在稳定版中，丢弃标志当前存储在类型本身中。向其写入未初始化的内存可能会导致未定义的行为，即 drop() 是否会被调用。这很快就会成为过时的信息，因为丢弃标志在 nightly 中从类型本身中移出。

在 nightly Rust 中，如果将未初始化的内存分配给变量，可以安全地假设 drop() 将被执行。但是，drop() 的任何有用实现都将对该值进行操作。无法检测类型是否在 Drop 特征实现中正确初始化：它可能导致尝试释放无效指针或任何其他随机事物，具体取决于 Drop 的实现方式。无论如何，将未初始化的内存分配给具有 Drop 的类型是不明智的。

Answer 3

这里隐藏了两个问题：

编译器如何跟踪哪个变量已初始化或未初始化？
为什么使用 mem::uninitialized() 进行初始化会导致未定义的行为？

让我们按顺序解决它们。

How does the compiler track which variable is initialized or not?

编译器注入所谓的 "drop flags"：对于每个 Drop 必须运行在范围末尾的变量，在堆栈上注入一个布尔标志，说明这个变量是否需要处理掉

标志从 "no" 开始，如果变量已初始化，则移动到 "yes"，如果变量从 "no" 移动，则返回到 "no"。

最后，当删除这个变量的时候，检查标志并在必要时删除它。

这与编译器的流分析是否抱怨可能未初始化的变量无关：只有当满足流分析时才会生成代码。

Why may initializing with mem::uninitialized() lead to Undefined Behavior?

使用mem::uninitialized()时，您向编译器承诺：别担心，我肯定会初始化这个。

对于编译器而言，变量因此被完全初始化，drop 标志被设置为"yes"（直到你移出它）。

这反过来意味着 Drop 将被调用。

使用未初始化的对象是未定义的行为，编译器代表您对未初始化的对象调用 Drop 算作 "using it".

奖金：

In my tests, nothing weird happened!

请注意，未定义行为意味着任何事情都可能发生；不幸的是，anything 还包括 "seems to work"（甚至 "works as intended despite the odds"）。

特别是，如果您在 Drop::drop 中不访问对象的内存（只是打印），那么很可能一切都会正常工作。但是，如果您访问它，您可能会看到奇怪的整数、指向野外的指针等...

如果优化器很聪明，即使不访问它，它也可能会做一些奇怪的事情！由于我们使用的是 LLVM，因此我邀请您阅读 Chris Lattner（LLVM 之父）的 What every C programmer should know about Undefined Behavior。

Rust 如何知道在堆栈展开期间是否运行析构函数？

How does Rust know whether to run the destructor during stack unwind?

rust

destructor

undefined-behavior

stack-unwinding

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