Rust の enum に大きさの異なる型を列挙するとメモリサイズ効率が悪いという話

例えば以下のようなenumを定義した場合、そのサイズは 16 バイトになります。

enum Hoge {
    Char(i8),
    Short(i16),
    Long(i32),
    LongLong(i64),
}

let size = mem::size_of::<Hoge>();
assert_eq!(size, 16);

Hogeのデータ構造がどうなっているか確認します。

let long = Hoge::Long(65536);
let slice = unsafe { mem::transmute::<Hoge, [u8; 16]>(long) };
slice.iter()
    .enumerate()
    .for_each(|(i, v)| println!("index: {}, value: {:x}", i, v));

$ cargo run
index: 0, value: 2   // tag       enum の何番目の識別子か
index: 1, value: 44  // _padding0 ここから
index: 2, value: ed  //           ↓
index: 3, value: 3   //           ここまで
index: 4, value: 0   // data      ここから
index: 5, value: 0   //           ↓
index: 6, value: 1   //           ↓
index: 7, value: 0   //           ここまで
index: 8, value: 0   // _padding1 ここから
index: 9, value: 0   //           ↓
index: 10, value: 0  //           ↓
index: 11, value: 0  //           ↓
index: 12, value: 0  //           ↓
index: 13, value: 0  //           ↓
index: 14, value: 0  //           ↓
index: 15, value: 0  //           ここまで

つまりenum Hoge列挙子のデータ構造を仮想的な構造体として表すと、

struct EnumHoge {
    tag: u8,
    _padding0: [u8; ?],
    data: i8 | i16 | i32 | i64,
    _padding1: [u8; ?],
}

みたいな感じになっています。

_padding0の大きさはdataがメモリアライメントの境界を越えないようにdataのサイズによって変わります。Charの_paddingは 0。Shortは 1。Longは 3。LongLongなら 7 となります。_padding1で 16 バイトの残りが埋まります。

ここで新たな疑問が。もし列挙子の数が 256 を越えたらどうなるのか？つまりtagのu8がオーバーフローしたらどうなるのか？（現実的にはまずあり得ないと思いますが）

実際にやってみた。

enum Piyo {
    LongLong0(i64),
    LongLong1(i64),
    LongLong2(i64),
    LongLong3(i64),
    // 省略
    LongLong65534(i64),
    LongLong65535(i64),
    Char(i8),
    Short(i16),
    Long(i32),
}

VSCode で↑を書いたらメモリ喰いまくって、スワップが 4GiB を超えて PC がフリーズしました
たぶんtagのサイズがu32に変わると思います。

話がちょっと脱線しました。メモリサイズ効率が悪いという話に戻しましょう。

例えば↓こんな風にHogeをVecに入れると、実際のデータとしてのサイズは 15 バイトなのに padding があるので 64 バイトも使っちゃうよということです。

enum Hoge {
    Char(i8),      // 1 バイト
    Short(i16),    // 2 バイト
    Long(i32),     // 4 バイト
    LongLong(i64), // 8 バイト
}
// 1 + 2 + 4 + 8 = 15 バイト！

use Hoge::*;
let v = vec![Char(0), Short(1), Long(2), LongLong(3)];
// v の大きさは 16 * 4 = 64 バイト！

おわり。