一篇文章让你彻底理解 Rust 的 Move、Copy、Clone

问题

今天我在开发中遇到这样一个问题：

fn main() {
    demo1();
    demo2();
}

fn demo2() {
    let a = 1024;
    let b = a;
    println!("{:?} {:?}", a, b);
}

fn demo1() {
    let a = String::from("hello");
    let b = a;

    println!("{:?} {:?}", a, b)
}

运行结果：

   Compiling rust-boom v0.1.0 (/Users/wmc/workspace/rust-boom)
error[E0382]: borrow of moved value: `a`
  --> examples/move_copy_clone.rs:16:27
   |
13 |     let a = String::from("hello");
   |         - move occurs because `a` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
14 |     let b = a;
   |             - value moved here
15 |
16 |     println!("{:?} {:?}", a, b)
   |                           ^ value borrowed here after move
   |
   = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.
error: could not compile `rust-boom` due to previous error

程序运行出错了，翻译一下就是a被move了，但是你又访问了a，确实这个报错没有毛病，在 rust 中对内存的管理是靠所有权机制进行的，但是问题是为什么 demo2 确可以这样做？下面我们来讨论一下这个问题。

解析

在 rust 中有个非常重要的几个概念这里先说一下：

首先是所有权，什么是所有权，比如在生活中你拥有你的手机的所有权，我们可以去使用自己的手机，也可以扔掉这个手机。而在 rust 中也是如此，在 rust 中所有权表示我们对一个值的使用、修改、销毁的控制权利。

也就是说当我们将一个值(“hello”)赋值给一个变量(a)，这个时候这个值(“hello”)的所有权就是变量(a)，我们可以通过这个变量(a)来访问值(“hello”)，也可以将这个值(“hello”)转移给变量(b)，这时候 a 就无法在次访问值(“hello”)，这相当于是你把手机给了另一个人，你就无权在使用这个手机，这也叫所有权转移。

上面的错误我们也知道了为什么，问题就到这结束了？显然没有下面还有这么多文字呢。

真正的问题是 demo2，为什么他可以这样做呢？

这里就引出了一个特殊的 trait Copy，这个Copy是什么呢，通过官方的解释我们得知（Copy in std::marker - Rust (rustwiki.org)）：只需复制位即可复制其值的类型。

这句话的意思就是，如果我们这个类型实现了 Copy 那么在赋值的时候这个行为会变成复制，不过这里只进行栈上的复制，下面我们写个 demo 看看：

// demo3-1
#[derive(Debug, Clone, Copy)] // 注释掉可以看demo3的报错
struct MyData {
    value: i32,
}

fn demo3() {
    let a = MyData { value: 32 };
    let b = a;
    println!("{:?} {:?}", a, b);
}

derive 是为某个类型自动实现 trait 的宏。

确实如我们所愿程序顺利执行，当我们注释掉注解后发生了错误。到这里我们知道了如果为一个类型实现了 Copy 那么在赋值的时候这个行为会变成复制，而不是移动。

但是这里我们要知道如果想给一个类型实现 Copy 那么他的成员类型也必须都实现 Copy，比如下面的代码 MyData 就会发生错误：

// demo3-2
#[derive(Debug, Clone, Copy)] // 注释掉可以看demo3的报错
struct MyData {
    value: i32,
    value2: Vec<i32>, // 这块发生了错误，Vec未实现Copy
}

提示：Copy 是继承于 Clone，所以在实现 Copy 的时候必须实现 Clone。

这也是 Rust 的一种编程范式吧，有很多 trait 都是这样比如 Default 等。

假如我们真的想要成员变量有未实现 Copy 等类型但是我们又想这个类型可以复制，那该怎么做呢？

居然这个错误是因为 value2 没有实现 Copy 导致等，那我们尝试一下给 Vec 实现一下 Copy 看看能否解决。

// demo3-3
impl Copy for Vec<i32> {}
/**
 impl Copy for Vec<i32> {}
   | ^^^^^^^^^^^^^^--------
   | |             |
   | |             `Vec` is not defined in the current crate
   | impl doesn't use only types from inside the current crate
 */

代码写完了，但是还是发生了错误，翻译一下当前模块中未定义Vec，但是除了这个原因还有一个原因就是 Vec 实现了 Drop，在 rust 中所有实现 Drop 的不能实现 Copy，Drop 是在一个变量脱离他的作用后会自动释放他所持有的资源，这里的资源指的是堆上的数据、TCP 连接等，如果复制了这个变量，但是他只会复制栈上的数据，不会复制堆上的数据，这样会导致两个变量持有同一个资源，在释放的时候就会发生重复释放的问题。

所以这个方法也不行，但是我们非要实现这个需求呢？

我们可以使用引用的方式：

#[derive(Debug, Clone, Copy)] // 注释掉可以看demo3的报错
struct MyData<'a> {
    value: i32,
    value2: &'a Vec<i32>,
}

但实际上使用引用我们还得使用生命周期的方式，整个代码也不是很优雅，所以我们能不能使用比较优雅的方式呢，比如不用 Copy，代码如下：

#[derive(Debug, Clone)]  // +-
struct MyData {
    value: i32,
    value2: Vec<i32>,
}

// impl Copy for Vec<i32> {}

fn demo3() {
    let a = MyData {
        value: 32,
        value2: vec![10, 11],
    };
    let b = a.clone(); // +-
    println!("{:?} {:?}", a, b);
}

使用 clone 的方式也是可以达到相似的效果，不过 clone 是进行了深度拷贝，也就是 clone 不止会复制栈上的数据，还会复制堆上的数据。

但是这还是不是很优雅而且还会有性能问题，我们可不可以用更好的方式呢？答案是有，代码如下：

fn demo3() {
    let a = MyData {
        value: 32,
        value2: vec![10, 11],
    };
    let b = &a; // +-
    println!("{:?} {:?}", a, b);
}

我们可以使用不可变借用的方式，这样不管是性能还是代码都是最优雅的，到这里基本已经完成了这篇文章的主题说明，大家可以去 fork 仓库来运行实例 demo 进行学习。

结论

• 如果一个数据想要存储在栈上，那这个数据的大小一定是确定的，并且我们能明确的在编程中得到这个大小。
• 对于大小未知的数据我们可以选择在堆中存储，在 Rust 中 Vec、String、Box 等都是将数据存储在堆中。
• Rust 中变量的赋值的默认行为是 Move，如果实现了 Copy 这个行为会变成按位复制，而大部分的基础数据类型都实现了 Copy。
• Copy 继承为 Clone，所以我们为一个类型实现 Copy 的同时也要实现 Clone。
• Copy 与 Drop 是互斥的。

最后

欢迎大家来关注 github.com/rust-boom/rust-boom 仓库，这里会汇总 rust 各种中文资源、框架、库、软件等欢迎来 star，您的 star 就是我创作和维护的动力。

引用

• Copy in std::marker - Rust (rustwiki.org)
• Drop 释放资源 - Rust 语言圣经(Rust Course)
• Why does Rust not allow the copy and drop traits on one type? - Stack Overflow

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