Unsafe Rust 能做什么

在不安全的 Rust 中唯一不同的是,你可以:

  • 对原始指针进行解引用
  • 调用“不安全”的函数(包括 C 函数、编译器的内建指令和原始分配器。
  • 实现“不安全”的特性
  • 改变静态数据
  • 访问“union”的字段

这就是所有了。这些操作被归入不安全操作的原因是,误用其中的任何一项都会引起可怕的未定义行为。调用“未定义行为”使编译器有充分的权利对你的程序做任意的坏事。你绝对_不应该_调用“未定义行为”。

与 C 语言不同,Rust 中的“未定义行为”的范围相当有限。核心语言所关心的只是防止以下事情:

  • 解除引用(使用*运算符)悬空或不对齐的指针(见下文)
  • 破坏指针别名规则
  • 调用一个 ABI 错误的函数,或者从一个 unwind ABI 错误的函数中 unwinding
  • 引起数据竞争
  • 执行用当前执行线程不支持的目标特性编译的代码
  • 产生无效的值(无论是单独的还是作为一个复合类型的字段,如enum/struct/array/tuple
    • 一个不是 0 或 1 的bool
    • 一个具有无效判别符的“enum”
    • 一个空的“fn”指针
    • 一个超出[0x0, 0xD7FF]和[0xE000, 0x10FFFF]范围的char
    • 一个!(所有的值对这个类型都是无效的)
    • 一个从未初始化的内存读出的整数(i*/u*)、浮点值(f*)或原始指针,或str中的未初始化的内存
    • 一个悬空的、不对齐的、或指向无效值的引用/Box
    • 一个胖指针、Box或原始指针,具有无效的元数据:
      • 如果一个dyn Trait指针 / 引用指向的 vtable 和对应 Trait 的 vtable 不匹配,那么dyn Trait的元数据是无效的
      • 如果 Slice 的长度不是有效的 usize(比如,从未初始化的内存中读取的 usize),那么 Slice 的元数据是无效的
    • 对于一个具有自定义的无效值的类型来说是无效的值(看着有点绕),比如在标准库中的NonNullNonZero*(自定义无效值是一个不稳定的特性,但一些稳定的 libstd 类型,如NonNull使用了这个特性)。

“产生”一个值发生在当一个值被分配、传递给一个函数/原始操作或从一个函数/原始操作返回的时候。

如果一个引用/指针是空的,或者它所指向的所有地址并非合法的地址(比如 malloc 分配出的内存),那么它就是悬垂的。它所指向的范围是由指针值和被指向类型的大小决定的(使用size_of_val)。因此,如果指向的范围是空的,悬垂是一样的。要注意,切片和字符串指向它们的整个范围,所以它们的长度不可能很大。内存分配的长度、切片和字符串的长度不能大于isize::MAX字节。如果因为某些原因,这太麻烦了,可以考虑使用原始指针。

这就是所有 Rust 中可能会导致未定义行为的原因。当然,不安全的函数和 trait 可以自由地声明任意的其他约束,程序必须保持这些约束以避免未定义行为。例如,分配器 API 声明,释放未分配的内存是未定义行为。

然而,对这些约束的违反通常只会导致上述问题中的一个,一些额外的约束也可能来自于编译器的内在因素,这些因素对代码如何被优化做出了特殊的假设。例如,Vec 和 Box 使用了内建指令,要求他们的指针在任何时候都是非空的。

Rust 在其他方面对其他可疑的操作是相当宽容的。Rust 认为以下情况是“安全的”:

  • 死锁
  • 有一个数据竞争
  • 内存泄漏
  • 未能调用解构器
  • 整数溢出
  • 中止程序
  • 删除生产数据库

然而任何真正可能做这种事情的程序都是_可能_不正确的,Rust 提供了很多工具来尽可能检查出这些问题,但要这些问题完全被预防是不现实的。