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Clone VS Copy

Clone VS Copy

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。

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编辑于 2017-02-11

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