《Rust权威指南》读书笔记7 - common collections

最新推荐文章于 2023-07-31 00:24:45 发布
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分类专栏： Rust 文章标签： rust 开发语言 后端
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Zheng__Huang/article/details/127626455
版权

  集合数据类型（collections），是编程语言中可以表达多个值的类型。不同于标量类型只能表达单一的值。**这些集合将持有的数据存储在堆上，不需要在编译时确定大小。**这带来了极大的编程便利性。Rust中，广泛使用的集合类型主要有三种：动态数组 Vector, 字符串 String, 哈希映射 hash map。

Vector 动态数组

Rust中的动态数组为Vec<T>，允许在单个数据结构中，存储多个相同类型的数据。

其中，T表示数组中元素的类型，Rust应用了泛型系统，这部分将在后面详细学习。

Vector Definition

使用Vec::new()关联函数创建一个空数组。注意：如果需要修改vector，仍必须将其声明为mut

fn main() {
    let mut a = Vec::new();		// compiler can infer that `a` is Vec<i32>
    							// infer from code below (insertions)
    a.push(1);
    a.push(2);
    a.push(3);
}

**根据Vector中初始元素的类型，编译器通常能够自动完成类型推导。**当无法自动推导时（初始化一个空的列表，也没有进行初始push），需要手动指定元素类型。

另外，也可以使用vec![]宏，快速初始化一个vector：

let a = vec![1, 2, 3];

Vector Update

使用push和pop方法来向vector中增加、删除元素（类似栈，如果需要队列形式，可以使用VecDeque双端队列）。

fn main() {
    let mut a = vec![1, 2, 3];

    a.push(4);
    println!("pop a = {}", a.pop().unwrap_or(-1));
    println!("now, len(a) = {}", a.len());
}
  • pop方法返回一个Option类型的值，如果vector为空，范围None，否则为Some<T>

Vector Destruction

与其他变量相同，当变量离开作用域，会自动触发drop析构。其所有元素都被销毁。所以，不能向外部传输一个对局部vector元素的引用

Vector element access

有两种方法可以访问vector中的元素.

vector index

与C/C++类似，使用方括号索引，并加上引用符号&，可以访问vector对应位置的元素。若不加&符号详见[Reference of elements](#Reference of elements)

let a = vec![1, 2, 3];
let b = a[2];	// rust compiler infers that b: &i32;

当对应索引位置的元素不存在时，程序直接panic，在遇到不可恢复错误的时候可以使用。

Vec::get

get方法会返回一个Option<T>，当指定索引的元素不存在，会返回None，这样就可以使用match语句进行分支匹配。

fn main() {
	let a = vec![1, 2, 3];
	for i in 0..4	{
		match a.get(i) {
			Some(x) => println!("a_{} = {}", i, x),
			None => {
				println!("out of range!");
				break;
			},
		}
	}
}

所有权规则和借用规则

使用vector同样需要遵守单个元素和全局（整个vector）的所有权规则和借用规则，例如：

  • 当存在对一个元素的不可变引用时，不可对整个vector进行update操作
    由于vector的更新可能引发原有元素引用失效，或整体vector位置移动（需要扩容时，当前位置没有合适空间），可能导致悬垂引用。编译器将直接拒绝这些危险操作

  • 接上一条，即使存在一个可变引用，也不能进行操作。这违反了借用规则的 “Can’t borrow object as mutable more than once at a time”，即不能同时存在对一个变量的两个可变借用。同样，这个规则可以避免上一条中出现的悬垂引用问题。

  • 不能返回一个local vector的元素引用，这将破坏借用规则的生命周期问题。

  • 另外，编译器会检查引用使用位置，如果编译器检查到该引用后续没有被使用，则会自动将其标为失效的，不会对后续继续借用产生冲突影响。
    例如：

    fn main() {
	let mut a = vec![String::from("123"),String::from("123"), String::from("123")];
	let b = &mut a[2];
	a[2].push_str(" string");
    b.push_str("test");
	println!("{}", a[2]);
}

    以上会报错，因为line 5的a[2]借用与已经存在的b产生冲突，并且，b在后面被使用过，所以在line 5时，该借用仍然是有效的。

    fn main() {
	let mut a = vec![String::from("123"),String::from("123"), String::from("123")];
	let b = &mut a[2];
	b.push_str("test");
	a[2].push_str(" string");
	println!("{}", a[2]);
}

    以上是被允许的，因为b在a[2]的第二个借用后面没有继续使用，编译器认为其失效了

Reference of elements

本节为笔者自行实验总结内容，如有错误烦请指正

一般使用 &[]或者get(index)方法获取vector的元素，得到的是一个引用。该引用指向vector中对应索引的元素。

当vector是可变的，可以直接使用[]修改对象，而不需要使用&引用（实际上，获得可变引用后使用*解引用具有同样效果，但是这样就多此一举了）。

// rust reference and index test
fn main() {
	// let a = vec![1, 2, 3];
	let mut a = vec![String::from("123"),String::from("123"), String::from("123")];
	a[2] = String::from("456");
	a[2].push_str(" string");
	println!("{}", a[2]);
}

以上内容和C/C++较为类似，但Rust增加的安全检查机制在下面会得到体现：

当不使用引用符号&时：

  • 若元素类型实现了copy trait，将元素赋值给其他变量，会进行元素复制，如i32类型

    let mut a = vec![1, 2, 3];
let b: i32 = a[2];
assert!(b, 3);

  • 若元素没有实现copy，则会报编译时错误：
    cannot move out of index of Vec<T>
    move occurs because value has type T, which does not implement the Copy trait
    无法从索引中移出元素的值，因为元素类型没有实现copy trait。这表明，当不加引用时，发生了值的移动，当试图从vector中将元素的值移出，就会报错，因为这会导致元素失效，从而使整个vector失效（value moved）

  • 所以我们一般使用引用来访问vector的具体元素

Vector Iterating

Rust提供 iterator 迭代器来进行集合数据类型的遍历。使用for iter in &vector引用进行遍历

    let v = vec![100, 32, 57];
    for i in &mut v {
        *i += 50;
        println!("{}", i);
    }
  • 如果需要使用可变引用，则增加mut关键字，如果不需要则迭代器不可变
  • 在Rust中，迭代变量与C/C++不同，Vector<T>的迭代变量类型为T，对应地, &Vector<T>的迭代变量类型为&T

遍历将调用对象的into_iter()方法，如果不添加引用，则会导致整体的value move（由于vector中的元素整体搬移，不会产生错误）

Enum in vector

Rust中的vector仅支持单一的变量类型，如果需要多种变量类型，可以使用Enum枚举类型作为Vector 的 inner类型，并使用关联数据存储对应的数据值。在这一点上，Enum类似于C/C++的union联合类型

    enum SpreadsheetCell {
        Int(i32),
        Float(f64),
        Text(String),
    }

    let row = vec![
        SpreadsheetCell::Int(3),
        SpreadsheetCell::Text(String::from("blue")),
        SpreadsheetCell::Float(10.12),
    ];

上面的例子使用SpreadsheetCell创建了一个包含三种变量类型的枚举类型。

如果没有办法穷尽每种类型，可以使用动态 trait作为vector 的 inner type，这样可以存储实现了同种特性的所有数据类型。

String 字符串

definition

实际上，Rust核心部分只有str字符串切片类型，并通常以借用&str的形式出现，String类型则是**拥有所有权机制的字符串拓展类型。**我们所说的字符串，同时指这两种，而不是单独一种。

这两种类型都采用UTF-8 编码，编码的具体格式如下：

UTF-8

  • 其中最常用的，英文编码占1B，中文编码占3B

Rust标准库还包含了其他字符串类型，有不同的编码或存储模式，可以通过API查看对应信息。

Create a New String

String::New()方法可以建立一个空的字符串

let mut a = String::new();

可以在字符串字面量或其他实现Display trait的类型上调用to_string()方法， 转化成字符串变量。

或者使用String::from(str_var)函数，将字符串字面量类型或引用转换为String类型。

Update a String

  • push_str方法，在String后添加一段字符串切片

  • push方法，添加一个字符（Rust中字符同样是''单引号包含）

  • +运算符，允许字符串拼接(concat)

    • 标准库实现了+= 操作（魔术方法为AddAssign），内部调用push_str

      impl AddAssign<&str> for String {
    #[inline]
    fn add_assign(&mut self, other: &str) {
        self.push_str(other);
    }
}

  • format!宏，类似于C/C++的sprintf

    let a: String = format!("{}-{}-{}", year, month, day);

String Index

String不支持直接索引，这和字符串的内存布局有关。

之前已经说到，字符串内部存储使用了UTF-8编码，一个字符占位可能不只1B，len()方法只能返回字节长度。如果使用索引，可能遇到非单字节字符，甚至单个字符内部，导致问题（不同于Python，Rust的字符索引机制仍按照字节进行）。

另外，直接使用索引，返回值没有确定类型，可能是字符、字节、或是字形簇。所以不能直接使用索引。

Slicing Strings 字符串切片

虽然String不提供直接索引字符，但可以使用字符串切片替代，字符串切片按照字节划分，返回一个&str

Attention: 如果没有按照字符边界划分切片（字节范围落在一个字符编码中间），会产生运行时错误 (panic)

let a = "你好".to_string();
let panic_slice = &a[0..1];		// will cause panic
// index i is not a char boundary, it's inside `C` (bytes a..b) of `str`
  • 由panic说明可见，没有划分到完整的字符，将导致运行时panic，程序直接结束。所以应当做好字符串的切片范围运算。

String Iteration

  • 使用chars()方法返回一个以字符划分的迭代器
    • iterator var type: char
  • 使用bytes()方法返回一个以字节划分的迭代器
    • iterator var type: u8

Hash Maps 哈希映射表

类似于Python中的Dictionary和C++中的Map，HashMap<K, V>存储了K类型键到V类型值之间的映射关系。它使用Hash算法维护一个映射关系表。

它实现了Debug trait，可以使用{:?}format进行打印

Create a Hash Map

Preload中没有Hash Map，需要从标准库中显式导入。

use std::collections::HashMap;

fn main() {
	let mut scores = HashMap::new();

}

还可以将两个长度相同的Vector通过zip方法生成一个Hash Map

use std::collections::HashMap;

fn main() {
	let mut teams = vec![String::from("Blue"), String::from("Red")];
    let init_scores = vec![10, 50];
    
    let scores: HashMap<_, _> = 
    teams.iter().zip(initial_scores.iter()).collect();
}
  • 其中，zip方法将两个iterator组成一个元组数组，再使用collect()方法，将数组转换成Hash Map

Update Hash Map

使用以下两种方法进行更新：

  • insert(K, V) 将插入键值对，若已存在，将更新原键值对
  • try_insert(K, V) 插入键值对， 若已存在，不更新

还可以通过entry函数，查找对应的键值对entry，通过操作entry对Hash Map进行更新。

// hash map update test
use std::collections::HashMap;

fn main() {
	let s = "Hello world, this is a test";
	let mut word_count = HashMap::new();
	for c in s.chars() {
		let count = word_count.entry(c).or_insert(0);
		*count += 1;
	}
	for (c, count) in word_count {
		println!("count of {} = {}", c, count);
	}
}
  • entry(c) 在 hash map 中搜索指定的entry，返回一个Entry，其中值可能为空，这里没有采用Option方法，该实现将在下一节get方法中讲到。
  • or_insert方法返回一个V类型的可变引用，它确保了键值对一定存在，若不存在，则向Map中插入一个新的值。
  • Hash Map 的into_iter函数将迭代产生一系列键值对，以元组的形式表达。与Python类似，可以使用()对元组进行解包，得到单独的变量

Accessing Values

上面已经提到了，可以使用entry方法获取键值对，更常见的获取值（可能存在）的方法是get(Key)

将返回一个Option<&V>类型变量，如果Hash Map中不存在该Key，则返回None

  • 若需要可变引用，则使用get_mut()方法

Hash Map Entry

Entry 是 std::collections::hash_map中定义的Enum枚举类型，含有两个变体：

  • Occupied：表示该Entry已被使用（已含有键）
  • Vacant：空缺，未被占用

分别关联两个另外定义的类型OccupiedEntry和VacantEntry

本类型变量由HashMap的entry函数创建

主要实现以下方法，用于解析得到KV pair，或是生成一个新的

  • or_insert，接受默认值V，返回一个Value的可变引用
  • or_insert_with，接收一个空参数函数F，返回Value的可变引用，若为空，则返回函数的返回值
  • or_insert_with_key，接收一个参数为Key的函数，其余同上
  • Key，返回Entry对应的Key
  • and_modify，接收一个&mut v的函数参数，在可能的插入之前，对Occupied entry提供就地可变访问（in-place mutable access）
  • or_default ，如果不存在，使用Default Value of V
    • 实现在<'a, K, V: Default>上，value必须实现Default trait

Hash Function

Hash Map为了抵御Dos攻击，默认使用在密码学上安全的Hash函数，损失了一定的运行效率。可以指定不同的Hash计算工具来进行Hash运算，只要实现BuildHasher trait的类型都可以作为Hash Function

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本文节选自<<Rust语言圣经>>一书 欢迎大家加入Rust编程学院，一起学习交流: QQ群：1009730433 动态数组Vector 动态数组类型用Vec<T>表示，事实上，在之前的章节，它的身影多次出现，我们一直没有细讲，只是简单的把它当作数组处理。 动态数组允许你存储多个值，这些值在内存中一个紧挨着另一个排列，因此访问其中某个元素的成本非常低。动态数组只能存储相同类型的元素，如果你想存储不同类型的元素，可以使用之前讲过的枚举类型或者特征对象. 总之，当我们想拥.
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