ust能力养成系列之（35）：内存管理：以特性复制类型

前言

简言之，Copy 和Clone 特性提现了类型在代码中的复制方式。

Copy

Copy特性通常是为栈上类型而实现的（The Copy trait is usually implemented for types that can be completely represented on the stack），也就是说，该特性自身没有任何部分存在于堆（heap）上。那是因为，如果在堆上，复制将是一个非常繁重的操作，其必须沿着堆进行向下值复制，而这会直接影响=赋值操作符的工作方式。如果一个类型实现了Copy特性，那么从一个变量到另一个变量的赋值也将隐式进行。

Copy是一个自动特性（auto trait），其在大多数栈数据类型（例如：原语premitives，和不可变引用immutable references，即&T）上自动实现。Copy的方式与C语言中的memcpy函数非常相似，其用于按位复制值。默认情况下，用户定义类型的Copy特性是没有实现的，因为Rust需要明确具体的复制行为，因此，开发人员必须选择实现特性。进一步，当开发人员想要对其类型实现复制时，首先要知道：Copy特性依赖于Clone特性。

就类型而言，如Vec<T>、String和可变引用，是没有特性Copy的实现的。要想复制这些值，需要使用更显式的Clone特性。

Clone

Clone特性用于显式复制，并附带一个clone方法，并以实现该方法来获得自身的副本。Clone 特性的定义如下:

pub trait Clone {fn clone(&self) -> Self;
}

该特性有一个名为clone的方法，该方法接一个不可变引用参数，即&self，并返回相同类型的新值。用户定义的类型，或任何需要提供复制自身能力的封装类型，应该通过实现clone方法来实现Clone特性。

但是，与赋值时进行隐式值复制的Copy类型不同，要复制Clone值，必须显式调用clone方法，该方法是一种通用的复制机制（duplication mechanism），Copy是其中的一种特殊情况，它总是按位复制。像String和Vec这种涉及大量复制的类型，只实现Clone特性。补充一下，智能指针类型还实现了Clonen特性，但只是复制指针和额外的元数据，比如指向相同堆数据的引用计数。

Clone特性为类型复制提供了灵活性，以下是众多的实例之一，我们看下：

// explicit_copy.rs#[derive(Clone, Debug)]
struct Dummy {items: u32
}fn main() {let a = Dummy { items: 54 };let b = a.clone();println!("a: {:?}, b: {:?}", a, b);
}

编译通过，结果如下

我们在derive属性中添加了Clone特性。这样，就可以调用clone 方法，来为变量 a来获得一个新的副本。

现在，我们看下类型复制的不同场景 ，以下是一些指导原则。

在类型上实现Copy特性，有些仅在栈上得以表征的小值，具体看来：

• 如果该类型仅依赖于在其上实现了Copy的其他类型;其隐式实现Copy特性
• Copy特性隐式影响着赋值操作符=的工作方式。为外部可见类型应用Copy特性，需要考虑其对赋值操作符的影响。如果在开发的早期，在类型涉及一个Copy特性，然后删除，那么这将影响分配该类型值的每个点，以此可以很容易的破坏基于此特性的一个API。

在类型上实现Clone特性：

• Clone trait仅声明一个需要显式调用的clone方法
• 如果类型还在堆上包含一个值为其部分表征，那么选择实现Clone，以显式复制堆数据
• 如果正在实现一个智能指针类型，比如引用计数类型，那么应该在相关类型上实现Clone，以便只复制栈上的指针

所有权之实践（Ownership in action）

除了之前介绍过的let绑定的例子外，还有其他一些地方可以看到所有权也在生效，开发者对此应予以一定的重视。

函数（Functions）

如果你传递参数给函数，同样的所有权规则生效:

// ownership_functions.rsfn take_the_n(n: u8) { }fn take_the_s(s: String) { }fn main() { let n = 5; let s = String::from("string"); take_the_n(n); take_the_s(s); println!("n is {}", n); println!("s is {}", s); 
} 

编译未通过，报错如下：

String没有实现Copy特性，所以值的所有权被移动到take_the_s函数中。当该函数返回时，该值的作用域结束，在s上调用drop函数，释放s所使用的堆内存。因此，在函数调用后，s不能再被使用。然而，由于String实现了Clone，可以通过在函数调用处添加.clone()调用来使代码正常工作:

take_the_s(s.clone());

这里的take_the_n工作良好，因为u8(是一个原语类型)实现了Copy。

也就是说，在将move类型传递给函数后，不能在以后使用该值。如果要使用该值，必须clone该类型，并向函数发送一个副本。现在，如果我们只需要对变量s进行读访问，另一种方法是将字符串s传递回main。代码可以如下所示:我们为take_the_s函数添加了返回类型，并将传递的字符串s返回给调用者。在main中，在s中接收。这样，main的最后一行代码就可以完成任务了。

// ownership_functions_back.rsfn take_the_n(n: u8) { }fn take_the_s(s: String) -> String {println!("inside function {}", s);s
}fn main() { let n = 5; let s = String::from("string"); take_the_n(n); let s = take_the_s(s); println!("n is {}", n); println!("s is {}", s); 
} 

编译通过，结果如下：

Match表达式（Match expressions）

在Match表达式中，移动类型也是默认移动的，如下面的代码所示:

// ownership_match.rs#[derive(Debug)]
enum Food {Cake,Pizza,Salad
}#[derive(Debug)]
struct Bag {food: Food
}fn main() {let bag = Bag { food: Food::Cake };match bag.food {Food::Cake => println!("I got cake"),a => println!("I got {:?}", a)}println!("{:?}", bag);
}

在前面的代码中，我们创建了一个Bag实例并将其分配给bag。接下来，我们匹配它的food字段并打印一些文本。稍后，用println!打印bag。编译时会得到以下错误:

可以清楚看到，错误消息表明bag已经被match表达式中的a变量移动和使用。这将使变量bag失效，无法进一步使用。当稍后了解到借用（borrowing）的概念时，我们会了解如何来使这些代码工作。

方法（Methods）

在impl块中，任何以self作为第一个参数的方法都拥有该方法所调用值的所有权。这意味着在对该值调用过该方法后，将不能再次使用该值。如下面的代码所示:

// ownership_methods.rsstruct Item(u32);impl Item {fn new() -> Self {Item(1024)}fn take_item(self) {// does nothing} 
}fn main() {let it = Item::new();it.take_item();println!("{}", it.0);
}

编译未通过，报错如下：

take_item是一个实例方法，它将self作为第一个参数。在调用之后，它被移动到方法内部，并在函数作用域结束时释放。于是之后不能再用了。依然，当讲到借用概念时，我们会使这些代码重新工作。

闭包中的所有权（Ownership in closures）

类似的事情也发生在闭包上。考虑以下代码:

// ownership_closures.rs#[derive(Debug)]
struct Foo;fn main() {let a = Foo;let closure = || {let b = a;    };println!("{:?}", a);
}

不难猜到，默认情况下，Foo在闭包内的所有权在赋值时转移到b，不能再次访问a。当编译上述代码时，得到以下输出:

要获得a的副本，可以在闭包中调用a.clone()并将其赋值给b，或者在闭包前放置一个move关键字，如下所示:

#[derive(Debug,Clone)]
struct Foo;fn main() {let a = Foo;let closure = || {let b = a.clone();    };println!("{:?}", a);
}

或者

#[derive(Debug,Copy)]
struct Foo;fn main() {let a = Foo;let closure = move || {let b = a;    };println!("{:?}", a);
}

皆可通过编译，结果如下

通过以上这些实例，可以看到所有权规则相当严格，因为它只允许使用一个类型一次。如果函数只需要对一个值进行读访问，则需要从函数中返回该值，或者在将该值传递给函数之前clone该值。如果该类型没有实现Clone，则后一种方法可能不可行。克隆一下类型，似乎很容易绕过所有权原则，但它损坏了零成本承诺的全部意义，因为Clone总是要进行类型复制，这可能会涉及使用内存分配器的APIs这等系统级别调用，显然是颇为消耗系统资源的。

结语

随着move语义和所有权规则的生效，在Rust中编写程序很快就会变得非常笨拙。幸运的是，我们有了借用和引用类型的概念，可以放松对规则施加的限制，但仍然可在编译时保持所有权。

主要参考和建议读者进一步阅读的文献

https://doc.rust-lang.org/book

Rust编程之道，2019， 张汉东

The Complete Rust Programming Reference Guide，2019， Rahul Sharma,Vesa Kaihlavirta,Claus Matzinger

Hands-On Data Structures and Algorithms with Rust，2018，Claus Matzinger

Beginning Rust ，2018，Carlo Milanesi

Rust Cookbook，2017，Vigneshwer Dhinakaran