rust copy 和 clone 区别

布满荆棘的人生 2022-08-31 01:49 160阅读 0赞

Rust 中有两个常见的 trait，Clone 和 Copy，许多初学者没有搞明白。今天我们来专门谈一谈这两个 trait。

## Copy 的含义 ##

Copy 的全名是 std::marker::Copy。请大家注意 std::marker 这个模块里面的所有的 trait 都是特殊的 trait。目前稳定的有四个，它们是 Copy、Send、Sized、Sync。它们的特殊之处在于它们是跟编译器密切绑定的，impl 这些 trait 对编译器的行为有重要影响。在编译器眼里，它们与其它的 trait 不一样。这几个 trait 内部都没有方法，它们的唯一任务是，给类型打一个“标记”，表明它符合某种约定，这些约定会影响编译器的静态检查以及代码生成。

Copy 这个 trait 在编译器的眼里代表的是什么意思呢？简单点总结就是说，如果一个类型 impl 了 Copy trait，意味着任何时候，我们可以通过简单的内存拷贝(C语言的按位拷贝memcpy)实现该类型的复制，而不会产生任何问题。

一旦一个类型实现了 Copy trait，那么它在变量绑定、函数参数传递、函数返回值传递等场景下，它都是 copy 语义，而不再是默认的 move 语义。

## Copy 的实现条件 ##

并不是所有的类型都可以实现Copy trait。Rust规定，对于自定义类型，只有所有的成员都实现了 Copy trait，这个类型才有资格实现 Copy trait。

常见的数字类型、bool类型、共享借用指针&，都是具有 Copy 属性的类型。而 Box、Vec、可写借用指针&mut 等类型都是不具备 Copy 属性的类型。

对于数组类型，如果它内部的元素类型是Copy，那么这个数组也是Copy类型。

对于tuple类型，如果它的每一个元素都是Copy类型，那么这个tuple会自动实现Copy trait。

对于struct和enum类型，不会自动实现Copy trait。而且只有当struct和enum内部每个元素都是Copy类型的时候，编译器才允许我们针对此类型实现Copy trait。

我们可以认为，Rust中只有 [POD][](C++语言中的Plain Old Data) 类型才有资格实现Copy trait。在Rust中，如果一个类型只包含POD数据类型的成员，没有指针类型的成员，并且没有自定义析构函数（实现Drop trait），那它就是POD类型。比如整数、浮点数、只包含POD类型的数组等，都属于POD类型。而Box、 String、 Vec等，不能按 bit 位拷贝的类型，都不属于POD类型。但是，反过来讲，并不是所有的POD类型都应该实现Copy trait。

## Clone 的含义 ##

Clone 的全名是 std::clone::Clone。它的完整声明是这样的：

pub trait Clone : Sized {
        fn clone(&self) -> Self;
        fn clone_from(&mut self, source: &Self) {
            *self = source.clone()
        }
    }

它有两个关联方法，其中 clone\_from 是有默认实现的，它依赖于 clone 方法的实现。clone 方法没有默认实现，需要我们手动实现。

clone 方法一般用于“基于语义的复制”操作。所以，它做什么事情，跟具体类型的作用息息相关。比如对于 Box 类型，clone 就是执行的“深拷贝”，而对于 Rc 类型，clone 做的事情就是把引用计数值加1。

虽然说，Rust中 clone 方法一般是用来执行复制操作的，但是你如果在自定义的 clone 函数中做点什么别的工作编译器也没法禁止，你可以根据情况在 clone 函数中编写任意的逻辑。但是有一条规则需要注意：对于实现了 Copy 的类型，它的 clone 方法应该跟 Copy 语义相容，等同于按位拷贝。

## 自动 derive ##

绝大多数情况下，实现 Copy Clone 这样的 trait 都是一个重复而无聊的工作。因此，Rust提供了一个 attribute，让我们可以利用编译器自动生成这部分代码。示例如下：

#[derive(Copy, Clone)]
    struct MyStruct(i32);

这里的 derive 会让编译器帮我们自动生成 impl Copy 和 impl Clone 这样的代码。自动生成的 clone 方法，就是依次调用每个成员的 clone 方法。

通过 derive 方式自动实现 Copy 和手工实现 Copy 有一丁点的微小区别。当类型具有泛型参数的时候，比如 struct MyStruct<T>\{\}，通过 derive 自动生成的代码会自动添加一个 T: Copy 的约束。

目前，只有一部分固定的特殊 trait 可以通过 derive 来自动实现。将来 Rust 会允许自定义的 derive 行为，让我们自己的 trait 也可以通过 derive 的方式自动实现。

## 总结 ##

Copy 和 Clone 两者的区别和联系有：

1.  Copy内部没有方法，Clone内部有两个方法。
2.  Copy trait 是给编译器用的，告诉编译器这个类型默认采用 copy 语义，而不是 move 语义。Clone trait 是给程序员用的，我们必须手动调用clone方法，它才能发挥作用。
3.  Copy trait不是你想实现就实现，它对类型是有要求的，有些类型就不可能 impl Copy。Clone trait 没有什么前提条件，任何类型都可以实现（unsized 类型除外）。
4.  Copy trait规定了这个类型在执行变量绑定、函数参数传递、函数返回等场景下的操作方式。即这个类型在这种场景下，必然执行的是“简单内存拷贝”操作，这是由编译器保证的，程序员无法控制。Clone trait 里面的 clone 方法究竟会执行什么操作，则是取决于程序员自己写的逻辑。一般情况下，clone 方法应该执行一个“深拷贝”操作，但这不是强制的，如果你愿意，也可以在里面启动一个人工智能程序，都是有可能的。
5.  如果你确实需要Clone trait执行“深拷贝”操作，编译器帮我们提供了一个工具，我们可以在一个类型上添加\#\[derive(Clone)\]，来让编译器帮我们自动生成那些重复的代码。
6.  然而Rust语言规定了当T: Copy的情况下，Clone trait代表的含义。即：当某变量let t: T;，符合T: Copy时， 它调用 let x = t.clone() 方法的时候，它的含义必须等同于“简单内存拷贝”。也就是说，clone的行为必须等同于let x = std::ptr::read(&t);，也等同于let x = t;。当T: Copy时，我们不要在Clone trait里面乱写自己的逻辑。所以，当我们需要指定一个类型是 Copy 的时候，最好顺便也指定它 Clone 的行为，就是编译器为我们自动生成的那个逻辑。正因为如此，在希望让一个类型具有 Copy 性质的时候，一般使用 \#\[derive(Copy, Clone)\] 这种方式，这种情况下它们俩最好一起出现，避免手工实现 Clone 导致错误。

[POD]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//en.wikipedia.org/wiki/Passive_data_structure