rust - Rust 中的复制语义真的变成了内存中的副本吗？

Question

假设我在 Rust 中有以下结构:

struct Num {
  pub num: i32;
}

impl Num {
  pub fn new(x: i32) -> Num {
    Num { num: x }
  }
}

impl Clone for Num {
  fn clone(&self) -> Num {
    Num { num: self.num }
  }
}

impl Copy for Num { }

impl Add<Num> for Num {
  type Output = Num;
  fn add(self, rhs: Num) -> Num {
    Num { num: self.num + rhs.num }
  }
}

然后我有以下代码片段:

let a = Num::new(0);
let b = Num::new(1);
let c = a + b;
let d = a + b;

这是有效的，因为 Num 被标记为 Copy。否则，第二次添加将是一个编译错误，因为 a 和 b 在第一次添加时已经被移动到 add 函数中(我想想)。

问题是发出的程序集做了什么。当调用 add 函数时，是否将参数的两个副本复制到新的堆栈帧中，或者 Rust 编译器是否足够聪明，知道在这种情况下，没有必要进行该复制？

如果 Rust 编译器不够智能，并且实际上像 C++ 中带有按值传递参数的函数一样进行复制，那么在重要的情况下如何避免性能开销？

上下文是我正在实现一个矩阵类(只是为了学习)，如果我有一个 100x100 矩阵，我真的不想每次尝试乘法或加法时都调用两个副本。

Answer 1

The question is what the emitted assembly does

无需猜测；你可以看看。让我们使用这段代码:

use std::ops::Add;

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

impl Add for Num {
    type Output = Num;

    fn add(self, rhs: Num) -> Num {
        Num(self.0 + rhs.0)
    }
}

#[inline(never)]
fn example() -> Num {
    let a = Num(0);
    let b = Num(1);
    let c = a + b;
    let d = a + b;
    c + d
}

fn main() {
    println!("{:?}", example());
}

将其粘贴到 Rust Playground 中，然后选择 Release 模式并查看 LLVM IR:

搜索结果以查看示例 函数的定义:

; playground::example
; Function Attrs: noinline norecurse nounwind nonlazybind readnone uwtable
define internal fastcc i32 @_ZN10playground7example17h60e923840d8c0cd0E() unnamed_addr #2 {
start:
  ret i32 2
}

没错，这是在编译时进行了全面评估，并一直简化为一个简单的常量。现在的编译器非常好。

也许您想尝试一些不那么硬编码的东西？

#[inline(never)]
fn example(a: Num, b: Num) -> Num {
    let c = a + b;
    let d = a + b;
    c + d
}

fn main() {
    let something = std::env::args().count();
    println!("{:?}", example(Num(something as i32), Num(1)));
}

生产

; playground::example
; Function Attrs: noinline norecurse nounwind nonlazybind readnone uwtable
define internal fastcc i32 @_ZN10playground7example17h73d4138fe5e9856fE(i32 %a) unnamed_addr #3 {
start:
  %0 = shl i32 %a, 1
  %1 = add i32 %0, 2
  ret i32 %1
}

糟糕，编译器看到我们基本上是在做 (x + 1) * 2，所以它在这里做了一些棘手的优化以达到 2x + 2。让我们尝试更难的事情......

#[inline(never)]
fn example(a: Num, b: Num) -> Num {
    a + b
}

fn main() {
    let something = std::env::args().count() as i32;
    let another = std::env::vars().count() as i32;
    println!("{:?}", example(Num(something), Num(another)));
}

生产

; playground::example
; Function Attrs: noinline norecurse nounwind nonlazybind readnone uwtable
define internal fastcc i32 @_ZN10playground7example17h73d4138fe5e9856fE(i32 %a, i32 %b) unnamed_addr #3 {
start:
  %0 = add i32 %b, %a
  ret i32 %0
}

一个简单的add指令。

真正的收获是:

1. 查看为您的案例生成的程序集。即使是看起来相似的代码也可能以不同的方式进行优化。
2. 执行微观和宏观基准测试。您永远不知道代码将如何在大局中发挥作用。也许您的所有缓存都将被耗尽，但您的微基准测试将非常出色。

is the Rust compiler smart enough to know that in this case, it's not necessary to do that copying?

正如您刚才看到的，Rust 编译器加上 LLVM 非常智能。通常，当它知道不需要操作数时，可能删除副本。它是否适用于您的情况很难回答。

即使是这样，您也可能不希望通过堆栈传递大项目，因为它总是可能需要被复制。

请注意，您不必为值实现复制，您可以选择仅通过引用允许它:

impl<'a, 'b> Add<&'b Num> for &'a Num {
    type Output = Num;

    fn add(self, rhs: &'b Num) -> Num {
        Num(self.0 + rhs.0)
    }
}

事实上，您可能想要实现添加它们的两种方式，也许还需要实现值/引用的所有 4 种排列!