09-Unsafe-Rust的计算机科学边界

Unsafe Rust的计算机科学边界

原理

unsafe 块关闭五项编译器安全检查：

1. 解引用裸指针（*const T, *mut T）
2. 调用 unsafe 函数（包括 FFI）
3. 读写可变静态变量（static mut）
4. 实现 unsafe trait（unsafe impl）
5. 访问 union 字段

unsafe 不关闭 borrow checker、类型检查、生命周期检查。仅开放上述 5 项”超级权限”。

FFI（Foreign Function Interface）通过 extern "C" 块声明外部函数。编译器按指定 ABI 生成调用代码（参数寄存器、栈对齐等）。Rust 侧的 #[no_mangle] 防止符号名混淆。

Unsafe 的契约模型：safe Rust 是 unsafe Rust 的安全封装。库作者负责在 unsafe 层确保所有安全不变量（invariant），用户无需关心实现细节。典型例子：Vec<T> 内部 unsafe 操作裸指针和分配器，对外暴露安全 API。

指针运算通过 ptr::add(), ptr::offset() 等方法，区别于 C 的 p++。读写通过 ptr::read() / ptr::write()，不调用 drop 或 copy 构造。

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语法

// 裸指针解引用
let mut x = 5;
let raw = &mut x as *mut i32;
unsafe { *raw = 10; }
 
// FFI
extern "C" {
    fn abs(input: i32) -> i32;
}
unsafe { println!("{}", abs(-3)); }
 
// 导出给 C 使用
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_fn(x: i32) -> i32 { x + 1 }
 
// Union
union MyUnion {
    i: i32,
    f: f32,
}
let u = MyUnion { i: 42 };
unsafe { println!("{}", u.i); }
 
// 全局可变状态
static mut COUNTER: u32 = 0;
unsafe { COUNTER += 1; }

原始指针操作

let mut v = vec![1, 2, 3];
let p = v.as_mut_ptr();
unsafe {
    ptr::write(p.add(0), 10);
    ptr::write(p.add(1), 20);
    let val = ptr::read(p.add(1));
}

unsafe trait

unsafe trait UnsafeTrait { }
unsafe impl UnsafeTrait for i32 { }
// impl 者承诺满足契约

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实践

力扣问题

对于算法竞赛，unsafe 通常不必要。注重标准安全 API 即可。

AI 自检

1. unsafe 块中 borrow checker 仍然生效吗？举例证明。
2. extern "C" 和 extern "Rust" 的 ABI 区别？调用约定在 x86_64 上的具体差异是什么？