Clone VS Copy

Rust 中有兩個常見的 trait，Clone 和 Copy，許多初學者沒有搞明白。今天我們來專門談一談這兩個 trait。

Copy 的含義

Copy 的全名是 std::marker::Copy。請大家注意 std::marker 這個模塊裡面的所有的 trait 都是特殊的 trait。目前穩定的有四個，它們是 Copy、Send、Sized、Sync。它們的特殊之處在於它們是跟編譯器密切綁定的，impl 這些 trait 對編譯器的行為有重要影響。在編譯器眼裡，它們與其它的 trait 不一樣。這幾個 trait 內部都沒有方法，它們的唯一任務是，給類型打一個「標記」，表明它符合某種約定，這些約定會影響編譯器的靜態檢查以及代碼生成。

Copy 這個 trait 在編譯器的眼裡代表的是什麼意思呢？簡單點總結就是說，如果一個類型 impl 了 Copy trait，意味著任何時候，我們可以通過簡單的內存拷貝(C語言的按位拷貝memcpy)實現該類型的複製，而不會產生任何問題。

一旦一個類型實現了 Copy trait，那麼它在變數綁定、函數參數傳遞、函數返回值傳遞等場景下，它都是 copy 語義，而不再是默認的 move 語義。

Copy 的實現條件

並不是所有的類型都可以實現Copy trait。Rust規定，對於自定義類型，只有所有的成員都實現了 Copy trait，這個類型才有資格實現 Copy trait。

常見的數字類型、bool類型、共享借用指針&，都是具有 Copy 屬性的類型。而 Box、Vec、可寫借用指針&mut 等類型都是不具備 Copy 屬性的類型。

對於數組類型，如果它內部的元素類型是Copy，那麼這個數組也是Copy類型。

對於tuple類型，如果它的每一個元素都是Copy類型，那麼這個tuple會自動實現Copy trait。

對於struct和enum類型，不會自動實現Copy trait。而且只有當struct和enum內部每個元素都是Copy類型的時候，編譯器才允許我們針對此類型實現Copy trait。

我們可以認為，Rust中只有 POD(C++語言中的Plain Old Data) 類型才有資格實現Copy trait。在Rust中，如果一個類型只包含POD數據類型的成員，沒有指針類型的成員，並且沒有自定義析構函數（實現Drop trait），那它就是POD類型。比如整數、浮點數、只包含POD類型的數組等，都屬於POD類型。而Box、 String、 Vec等，不能按 bit 位拷貝的類型，都不屬於POD類型。但是，反過來講，並不是所有的POD類型都應該實現Copy trait。

Clone 的含義

Clone 的全名是 std::clone::Clone。它的完整聲明是這樣的：

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

它有兩個關聯方法，其中 clone_from 是有默認實現的，它依賴於 clone 方法的實現。clone 方法沒有默認實現，需要我們手動實現。

clone 方法一般用於「基於語義的複製」操作。所以，它做什麼事情，跟具體類型的作用息息相關。比如對於 Box 類型，clone 就是執行的「深拷貝」，而對於 Rc 類型，clone 做的事情就是把引用計數值加1。

雖然說，Rust中 clone 方法一般是用來執行複製操作的，但是你如果在自定義的 clone 函數中做點什麼別的工作編譯器也沒法禁止，你可以根據情況在 clone 函數中編寫任意的邏輯。但是有一條規則需要注意：對於實現了 Copy 的類型，它的 clone 方法應該跟 Copy 語義相容，等同於按位拷貝。

自動 derive

絕大多數情況下，實現 Copy Clone 這樣的 trait 都是一個重複而無聊的工作。因此，Rust提供了一個 attribute，讓我們可以利用編譯器自動生成這部分代碼。示例如下：

#[derive(Copy, Clone)]struct MyStruct(i32);

這裡的 derive 會讓編譯器幫我們自動生成 impl Copy 和 impl Clone 這樣的代碼。自動生成的 clone 方法，就是依次調用每個成員的 clone 方法。

通過 derive 方式自動實現 Copy 和手工實現 Copy 有一丁點的微小區別。當類型具有泛型參數的時候，比如 struct MyStruct<T>{}，通過 derive 自動生成的代碼會自動添加一個 T: Copy 的約束。

目前，只有一部分固定的特殊 trait 可以通過 derive 來自動實現。將來 Rust 會允許自定義的 derive 行為，讓我們自己的 trait 也可以通過 derive 的方式自動實現。

總結

Copy 和 Clone 兩者的區別和聯繫有：

1. Copy內部沒有方法，Clone內部有兩個方法。
2. Copy trait 是給編譯器用的，告訴編譯器這個類型默認採用 copy 語義，而不是 move 語義。Clone trait 是給程序員用的，我們必須手動調用clone方法，它才能發揮作用。
3. Copy trait不是你想實現就實現，它對類型是有要求的，有些類型就不可能 impl Copy。Clone trait 沒有什麼前提條件，任何類型都可以實現（unsized 類型除外）。
4. Copy trait規定了這個類型在執行變數綁定、函數參數傳遞、函數返回等場景下的操作方式。即這個類型在這種場景下，必然執行的是「簡單內存拷貝」操作，這是由編譯器保證的，程序員無法控制。Clone trait 裡面的 clone 方法究竟會執行什麼操作，則是取決於程序員自己寫的邏輯。一般情況下，clone 方法應該執行一個「深拷貝」操作，但這不是強制的，如果你願意，也可以在裡面啟動一個人工智慧程序，都是有可能的。
5. 如果你確實需要Clone trait執行「深拷貝」操作，編譯器幫我們提供了一個工具，我們可以在一個類型上添加#[derive(Clone)]，來讓編譯器幫我們自動生成那些重複的代碼。
6. 然而Rust語言規定了當T: Copy的情況下，Clone trait代表的含義。即：當某變數let t: T;，符合T: Copy時， 它調用 let x = t.clone() 方法的時候，它的含義必須等同於「簡單內存拷貝」。也就是說，clone的行為必須等同於let x = std::ptr::read(&t);，也等同於let x = t;。當T: Copy時，我們不要在Clone trait裡面亂寫自己的邏輯。所以，當我們需要指定一個類型是 Copy 的時候，最好順便也指定它 Clone 的行為，就是編譯器為我們自動生成的那個邏輯。正因為如此，在希望讓一個類型具有 Copy 性質的時候，一般使用 #[derive(Copy, Clone)] 這種方式，這種情況下它們倆最好一起出現，避免手工實現 Clone 導致錯誤。