Rust | Clone vs Copy

2023-09-13

Copy的含义#

Copy的全名是std::marker::Copy

std::marker模块里面所有的trait都是特殊的trait
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，它们与其他的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

那么，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，如果一个类型impl了Copy trait，意味着任何时候，我们都可以通过简单的内存复制（在C语言里按字节复制memcpy）实现该类型的复制，并且不会产生任何内存安全问题。

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，都是copy语义，而不再是默认的move语义。

最简单的赋值语句x = y来说明move语义和copy语义的根本区别

move语义是“剪切、粘贴”操作，变量y把所有权递交给了x之后，y就彻底失效了，后面继续使用y就会出编译错误
copy语义是“复制、粘贴”操作，变量y把所有权递交给了x之后，它自己还留了一个副本，在这句赋值语句之后，x和y依然都可以继续使用

在Rust里，move语义和copy语义具体执行的操作，是不允许由程序员自定义的。

move语义或者copy语义都是执行的memcpy，无法更改，这个过程中绝对不存在其他副作用。

如果考虑后端优化，在许多情况下，不必要的内存复制实际上已经彻底优化掉了，不必担心执行效率的问题。没有必要每次都把move或者copy操作与具体的汇编代码联系起来，因为场景不同，优化结果不同，生成的代码也是不同的。只需记住的是语义。

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
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，如果内部的元素类型是Copy，那么这个数组也是Copy类型
对于元组tuple类型，如果每一个元素都是Copy类型，那么这个tuple也是Copy类型
struct和enum类型不会自动实现Copy trait。只有当struct和enum内部的每个元素都是Copy类型时，编译器才允许我们针对此类型实现Copy trait
```
    struct T(i32);
    fn main() {
        let t1 = T(1);
        let t2 = t1;
        println! ("{} {}", t1.0, t2.0);
    }
```
编译错误。原因是在let t2 = t1；这条语句中执行的是move语义。但是可以手动为它impl Copy trait，这样它就具备了copy语义

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，并且没有自定义析构函数，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等不能按字节复制的类型，都不属于POD类型。

并不是所有满足POD的类型都应该实现Copy trait，是否实现Copy取决于业务需求。

Clone的含义#

Clone的全名是std::clone::Clone

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

两个关联方法，分别是clone_from和clone

clone_from是有默认实现的，依赖于clone方法的实现
clone方法没有默认实现，需要手动实现

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

虽然Rust中的clone方法一般是用来执行复制操作的，但是如果在自定义的clone函数中做点别的什么工作，编译器也没办法禁止。可以根据需要在clone函数中编写任意的逻辑。

对于实现了copy的类型，它的clone方法应该跟copy语义相容，等同于按字节复制

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，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);

derive会让编译器自动生成impl Copy和impl Clone这样的代码。自动生成的clone方法，会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有微小的区别。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。

总结#

Copy内部没有方法，Clone内部有两个方法
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
Copy trait不是想实现就能实现的，它对类型是有要求的，有些类型不可能impl Copy。而Clone trait则没有什么前提条件，任何类型都可以实现（unsized类型除外，因为无法使用unsized类型作为返回值）
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“简单内存复制”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“深复制”操作，但这不是强制性的，如果你愿意，在里面启动一个人工智能程序都是有可能的
如果确实不需要Clone trait执行其他自定义操作（绝大多数情况都是这样），编译器提供了一个工具，我们可以在一个类型上添加#[derive(Clone)]，来让编译器自动生成那些重复的代码。编译器自动生成的clone方法非常机械，就是依次调用每个成员的clone方法
Rust语言规定了在T: Copy的情况下，Clone trait代表的含义。即：当某变量t: T符合T: Copy时，它调用t.clone() 方法的含义必须等同于“简单内存复制”。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，不要在Clone trait里面乱写逻辑。所以，当需要指定一个类型是Copy的时候，最好使用#[derive(Copy,Clone)]方式，避免手动实现Clone导致错误。

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