rust语言基础学习: 内存相关的3个trait, Clone, Copy, Drop

2020-07-23

昨天我们学习了AsRef和AsMut两个trait，使用这两个trait可以实现引用到引用的转换:

如果类型U实现了AsRef<T>，则as_ref可以实现&U到&T的转换
如果类型U实现了AsMut<T>，则as_ref可以实现从&U到&mut T的转换
如果T实现了AsRef，那么&T就实现了AsRef
如果T实现了AsRef，那么&mut T就实现了AsRef
如果T实现了AsMut，那么&mut T就实现了AsMut

到目前为止我们已经学习了Rust标准库中的11个常用的trait:

std::str::FromStr
std::convert::From
std::convert::TryFrom
std::convert::Into
std::convert::TryInto
std::ops::Deref
std::ops::DerefMut
std::default::Default
std::convert:AsRef
std::convert:AsMut
std::marker::Sized

今天将要学习内存相关的3个trait: Clone, Copy, Drop。

在Rust中可以通过trait来约定类型的行为，Rust还提供了派生宏(derive macro)，可以生成一些trait的实现。例如#[derive(Debug)]可以为数据类型实现Debug trait，为类型增加了debug能力，这样就可以使用{:?}用println!格式化打印类型的数据。Debug trait的定义如下:

1pub trait Debug {
2    fn fmt(&self, f: &mut Formatter<'_>) -> Result<(), Error>;
3}

了解了派生宏derive macro的知识，下面进入正题开始学习Clone, Copy, Drop这3个内存相关的trait。

Clone #

std::clone::Clone trait的定义如下:

1pub trait Clone {
2    fn clone(&self) -> Self;
3
4    fn clone_from(&mut self, source: &Self) { 
5        *self = source.clone()
6    }
7}

Clone trait有clone()和clone_from()两个方法，其中clone_from()具有默认实现，所以一般只需要我们实现clone()方法即可。

从clone_from()的默认实现可以看出，a.clone_from(&b)在功能上等同于a = b.clone()，但是如果a已经存在的话，使用a.clone_from(&b)就可以重用a的内存，避免了重新进行内存分配，因此效率也高一些。

如果类型中包含的其他类型都实现了Clone trait，就可以通过derive macro #[derive(Clone)]为类型自动实现Clone trait。例如一个结构体的所有字段都实现了Clone trait，就可以使用#[derive(Clone)]。

clone操作是深度拷贝，栈内存和堆内存将会被一起拷贝。因为是深度拷贝，因此这个拷贝操作耗费可能是昂贵的，也可能是廉价的。在Rust中的clone操作是显式的，需要显式调用。

Copy #

std::marker::Copy trait的定义如下:

1pub trait Copy: Clone { }

在学习AsRef和AsMut trait时，我们学习了一个标记trait Sized。 Copy trait也是一个标记trait。从Copy trait的定义看，如果一个类型要实现Copy trait，必须实现Clone trait。

如果类型中包含的其他类型都实现了Copy trait，就可以通过derive macro #[derive(Copy)]为类型自动实现Copy trait

还记得前面学习所有权, Move和Copy语义时。如果一个类型实现了Copy trait，那么该类型赋值、传参、函数返回就会使用Copy语义，对应的值会被按位浅拷贝，产生新的值。

Rust不允许自身或其任何部分实现了Drop trait的类型使用Copy trait。

例1:

 1// 可以编译通过
 2#[derive(Debug, Clone, Copy)]
 3struct Foo {
 4    num: i32
 5}
 6
 7// 可以编译通过
 8#[derive(Debug, Clone)]
 9struct Bar {
10    num: i32,
11    name: String,
12}
13
14
15// 编译错误: the trait `Copy` may not be implemented for this typerustcE0204
16#[derive(Debug, Clone, Copy)] 
17struct Zoo {
18    num: i32,
19    name: String, // String没有实现Copy, String中的vec: Vec<u8>实现了Drop trait，因此不能为Zoo标记实现Copy trait
20}

可以从Copy trait的文档查看哪些类型实现了Copy trait，整理归纳如下:

所有的整形类型，例如i32
布尔类型bool
所有的浮点类型，例如f64
字符类型char
元组，当且仅当其包含的类型也都实现了Copy trait，例如(i32, i32)实现了Copy，但(i32, String)就没有
数组，当且仅当其内部元素类型实现了Copy trait
……

Copy和Clone的区别 #

	Copy	Clone
trait定义	Copy继承自Clone，是Copy的类型一定是Clone的类型	是Clone的类型不一定是Copy的类型
复制特点	Copy仅对栈内存做按位复制	Clone是深度拷贝，栈和堆都可以是Clone的目标
使用方式	Copy是给编译器用的，告诉编译器这个是Copy的类型使用Copy语义，而不是Move语义。Copy语义在传参、赋值、函数返回值是自动触发。	Clone是给程序员使用的，必须手动调用clone
使用限制	1.类型必须实现了Clone 2.类型内部的其他类型必须都实现了Copy 3.不允许自身或其任何部分实现了Drop trait的类型使用Copy	类型内部的其他类型必须都实现了Clone
耗费代价	廉价	可能是昂贵的，也可能是廉价的

Drop #

std::ops::Drop trait的定义如下:

1pub trait Drop {
2    fn drop(&mut self);
3}

实现Drop trait的类型要实现一个drop函数，当其所有者变量离开作用域时就会自动调用该方法。

大多数情况下不需要我们手动为类型实现Drop trait，系统默认会对类型中的内部类型(例如结构体的每个字段)做drop。一般只在需要释放外部资源的场景，这些外部资源是指编译器无法得知的被使用额外资源，可以在drop实现中做释放。

Drop和Copy是互斥的 #

无法为类型同时实现Drop和Copy。因为Copy是栈内存的按位浅拷贝，而Drop是为了释放堆内存及额外资源的。