【Rust 笔记】15-字符串与文本（上）

15 - 字符串与文本

15.1-Unicode

15.1.1-ASCII、Latin-1 与 Unicode

• Unicode 与 ASCII 的所有 ASCII 码点都相同（0 ~ 0x7f）。

• Unicode 将（0 ~ 0x7f）码点范围称为 Latin-1 编码块（ISO/IEC 8859-1）。

• 即 Unicode 是 Latin-1 的超集：

  • Latin-1 转换为 Unicode：

    fn latin1_to_char(latin1: u8) -> char {
      latin1 as char
    }
    

  • Unicode 转换为 Latin-1:

    fn char_to_latin1(c: char) -> Option<u8> {
      if c as u32 <= 0xff {
        Some(c as u8)
      } else {
        None
      }
    }
    

15.1.2-UTF-8

• Rust 的 String 和 str 类型使用 UTF-8 编码格式表示文本。UTF-8 将字符编码为 1 到 4 个字节序列。
• UTF-8 序列的格式限制：
  • 对于给定的码点，只有最短的编码才被认为是格式良好的，即不能用 4 个字节去编码只需 3 个字节的码点。
  • 格式良好的 UTF-8 不能对 0xd800 ~ 0xdfff，以及大于 0x10ffff 的数值编码。
• UTF-8 的重要属性：
  • UTF-8 对码点 0 到 0x7f 的编码就是字节 0 到 0x7f，保存 ASCII 文本的字节是最有效的 UTF-8。ASCII 与 UTF-8 是可逆的，而 Latin-1 与 UTF-8 不具备可逆性。
  • 通过观察任意字节的前几位，就能知道它是某些字符 UTF-8 编码的首字节，还是中间字节。
  • 通过编码首字节的前几位就能知道编码的总长度。
  • 编码最长为 4 个字节，UTF-8 不需要无限循环，可用于处理不受信的数据。
  • 格式良好的 UTF-8 种，可以快速指出字符编码的起始和结束位置。UTF-8 的首字节与后续字节有明显区别。

15.1.5 - 文本方向性

• 有些文字是从左向右书写：属于正常情况下的书写或阅读方式，也是 Unicode 采用的顺序存储字符。
• 有些文字是从右向左书写：字符串的首字节保存的是要写在最右边的字符的编码。

15.2 - 字符（char）

• char 类型是保存 Unicode 码点的 32 位值。
• 范围为：0 到 0xd7ff，或者 0xe000 到 0x10ffff。
• char 类型实现了 Copy 和 Clone，以及比较、散列、格式的所有常用特型。

15.2.1 - 字符分类 —— 检测字符类别的方法

• ch.is_numeric()：数值字符，包括 Unicode 普通类别 Number; digit 和 Number; letter，但不包括 Number; other。
• ch.is_alphabetic()：字母字符，包括 Unicode 的 “Alphabetic” 派生属性。
• ch.is_alphanumeric()：数值或字母字符，包括上面两个类别。
• ch.is_whitespace()：空白字符，包括 Unicode 字符属性 “WSpace=Y”。
• ch.is_control：控制字符，包括 Unicode 的 Other, control 普通类别。

15.2.2 - 处理数字

• ch.to_digit(radix)：决定 ch 是否是基数为 radix 的 ASCII 数字。如果是就返回 Some(num)，其中 num 是 u32。否则，返回 None。radix 的范围是 2~36。如果 radix > 10，那么 ASCII 字母将作为值为 10～35 的数字。
• std::char::from_digit(num, radix)：把 u32 数值 num 转换为 char。如果 radix > 10，ch 是小写字母。
• ch.is_digit(radix)：在 ch 是基数为 radix 下的 ASCII 数字时，返回 true。等价于 ch.to_digit(radix) != None。

15.2.3 - 字符大小写转换

• ch.is_lowercase()：判断 ch 是否为小写字母。
• ch.is_uppercase()：判断 ch 是否为大写字母。
• ch.to_lowercase()：将 ch 转换为小写字母。
• ch.to_uppercase()：将 ch 转换为大写字母。

15.2.4 - 与整数相互转换

• as 操作符可以把 char 转换为任何整数类型，高位会被屏蔽。
• as 操作符可以把任何 u8 值转换为 char。char 类型也实现了 From。推荐使用 std::char::from_u32，返回 Option。

15.3-String 与 str

• Rust 的 String 和 str 类型只保存格式良好的 UTF-8。

• String 类型能创建可伸缩缓冲区，用于保存字符串。本质为 Vec 的包装类型。

• str 类型则就地操作字符串文本。

• String 的解引用为 &str。str 上定义的所有方法，都可以在 String 上直接调用。

• 文本处理的方法按照字节偏移量来索引文本，也按字节来度量长度，并不是按照字符。

• Rust 会根据变量的名称，推测其类型，如：

  变量名	推测类型
  string	String
  slice	&str 或解引用为 &str 的类型，如 String 或 Rc
  ch	char
  n	usize，长度
  i, j	usize，字节偏移量
  range	usize 字节偏移量范围，可能是全限定 i..j，部分限定 i.. 或..j，或无限定..
  pattern	任意模式类型：char, String, &str, &[char], FnMut(char) -> bool

15.3.1 - 创建 String 值

• String::new()：返回全新的空字符串。没有分配在堆上的缓冲区，后续会根据需要分配。

• String::with_capacity(n)：返回全新的空字符串，同时在堆上分配至少容纳 n 字节的缓冲区。

• slice.to_string()：常用于通过字符串字面量创建 String。分配一个全新的 String，其内容就是 slice 的副本。

• iter.collect()：通过拼接迭代器的所有项（char、&str 或 String 值）来构建 String。如下删除字符串中的空格举例：

  let spacey = "man hat tan";
  let spaceless: String = spacey.chars().filter(|c| !c.is_whitespcae()).collect();
  assert_eq!(spaceless, "manhattan");
  

• slice.to_owned()：将 slice 的副本作为一个全新分配的 String 返回。&str 类型不能实现 Clone，可以通过此方法达到克隆的效果。

15.3.2 - 简单检查 —— 从字符串切片获得基本信息

• slice.len()：返回以字节计算的 slice 的长度。

• slice.is_empyt()：在 slice.len() == 0 时返回 true。

• slice[range]：返回借用 slice 中指定部分的切片。

• 不能像 slice[i] 这样的格式取得一个位置索引的字符串切片。而是需要基于切片产生一个 chars 迭代器，让迭代器解析出相应字符串的 UTF-8：

  let par = "rust he";
  assert_eq!(par[6..].chars().next(), Some('e'));
  

• slice.split_at(i)：返回从 slice 借用的两个共享切片的元组，slice[..i] 和 slice[i..]。

• slice.is_char_boundary(i)：在 i 为字符边界上时返回 true。

• 切片可以比较相等、顺序和散列。

15.3.3 - 向 String 追加和插入文本

• string.push(ch)：把字符 ch 追加到字符串末尾。

• string.push_str(slice)：追加 slice 的全部内容。

• string.extend(iter)：将迭代器 iter 生成的所有项追加到字符串。迭代器可以生成 char、str 或 String 值。

• string.insert(i, ch)：在字节偏移值 i 的位置，向字符串中插入字符 ch。i 之后的所有字符向后移一位。

• string.insert_str(i, slice)：在字节偏移值 i 的位置，向字符串中插入 slice 的全部内容。

• String 实现了 std::fmt::Write，因此可以使用 write! 和 writeln! 宏，给 String 追加格式化文本。它们的返回值类型是 Result。需要在结尾添加 ? 操作符来处理错误。

  use std::fmt::Write;
  
  let mut letter = String::new();
  writeln!(letter, "Whose {} these are I think I know", "rustabagas")?;
  

• + 操作符：在操作数为字符串时，可以用于拼接字符串操作。

15.3.4 - 删除文本

• string.shrink_to_fit()：在删除字符串内容后，可以用来释放内存。
• string.clear()：将字符串重置为空字符。
• string.truncate(n)：丢弃字节偏移值 n 之后的所有字符。
• string.pop()：从字符串中删除最后一个字符，并以 Option 作为返回值。
• string.remove(i)：从字符串中删除字节偏移值 i 所在的字符，并返回该字符，后面的字符会向前移动。
• string.drain(range)：根据戈丁字节索引的返回，返回迭代器，并且在迭代器被清除时删除相应字符。

15.3.5 - 搜索与迭代的约定

Rust 标准库与搜索和迭代文本相关的函数，遵循下述命名约定：

• 大多数操作可以从左向右处理文本；
  • 名字以 r 开头的操作从右向左处理，如 rsplit 和 split 的相反操作。
  • 改变处理方向，不仅会影响产生值的顺序，也会影响值本身。
• 迭代器的名字如果以 n 结尾，就表示会对自己限定匹配的次数。
• 迭代器的名字如果以_indices 结尾，表示会产生它们在切片中的字节偏移量，以及通常可迭代的值。

15.3.6 - 搜索文本的模式

• 模式（pattern）：

  • 当标准库函数需要搜索（search）、匹配（match）、分割（split）或修剪（trim）文本时，会接收不同类型的参数，来表示要查找的内容。这些类型被称为模式。
  • 模式是可以实现 std::str::Pattern 特型的任何类型。

• 标准库支持的 4 种主要模式：

  • char 作为模式用于匹配字符；

  • String、&str 或 &&str 作为模式，用于匹配等于模式的子字符串。

  • FnMut(char) -> bool 闭包作为模式，用于匹配闭包返回 true 的一个字符。

  • &[char] 作为模式，表示 char 值的切片，用于匹配出现在列表中的任一字符。

    let code = "\t    funcation noodle() {  ";
    assert_eq!(code.trim_left_matchs(&[' ', 't'] as &[char]),
        "function noodle() {  ");
    

    • as 操作符，可以将字符数组字面量转换为 &[char]；
    • &[char; n] 表示固定大小 n 的数组类型，不是模式类型。
    • &[' ', 't'] as &[char] 也可写作 &\[' ', '\t'][..]。

15.3.7 - 搜索与替换

• slice.contains(pattern)：在 slice 包含与 pattern 匹配的内容时返回 true。

• slice.starts_with(pattern) 和 slice.ends_with(pattern)：在 slice 的初始或最终文本与 pattern 匹配时返回 true。

  assert!("2017".starts_with(char::is_numeric));
  

• slice.find(pattern) 和 slice.rfind(pattern)：在 slice 包含匹配 pattern 的内容时，返回 Some(i)。i 是匹配项的字节偏移量。

• slice.replace(pattern, replacement)：返回以 replacement 替换所有 pattern 的内容之后得到的新 String。

• slice.replacen(pattern, replacement, n)：功能与上同，但是最多替换前 n 个匹配项。

15.3.8 - 迭代文本

• slice.chars()：基于 slice 的字符返回一个迭代器。

• slice.char_indices()：基于 slice 的字符及它们的字节偏移量返回一个迭代器。

  assert_eq!("elan".char_indices().collect::<Vec<_>>(),
      vec![(0, 'e'), (2, 'l'), (3, 'a'), (4, 'n')]);
  

• slice.bytes()：基于 slice 中的个别字节返回一个迭代器，暴露 UTF-8 编码。

  assert_eq!("elan".bytes().collect::<Vec<_>>(), vec![b'e', b'l', b'a', b'n']);
  

• slice.lines()：基于 slice 中的文本行，返回一个迭代器。每行的终止符是 \n 或 \r\n。这个迭代器所产生的值是从 slice 借用的 &str。并且，所产生的值不包含终止符。

• slice.split(pattern)：基于按照 pattern 分割 slice 得到的部分返回一个迭代器。两个相邻的匹配或者与 slice 开头、结尾的匹配都会返回空字符串。

• slice.rsplit(pattern)：功能同上，但是会从后向前扫描和匹配 slice。

• slice.split_terminator(pattern) 和 slice.rsplit_terminator(pattern)：功能与上两个方法相同，不过 pattern 被当成终止符，而不是分隔符。如果 pattern 恰好匹配 slice 的两头，那么迭代器不会生成表示匹配与切片两头之间空字符串的空切片。

• slice.splitn(n, pattern) 和 slice.rsplitn(n, pattern)：与 split 和 rsplit 类似，但是最多把字符串分割成 n 个切片，从 pattern 的第 1 次匹配到第 n-1 次匹配。

• slice.split_whitespace()：基于空白 slice 分隔的部分返回一个迭代器。连续多个空白符作为一个分隔符。末尾的空白会被忽略。此处的空白与 char::is_whitespace 中的描述一致。

• slice.matches(pattern) 和 slice.rmatches(pattern)：基于 pattern 在 slice 中找到的匹配项返回一个迭代器。

• slice.match_indices(pattern) 和 slice.rmatch_indices(pattern)：与上同。不过产生的值是 (offset, match) 对，其中 offset 是匹配开始位置的字节偏移量，match 是匹配的切片。

15.3.9 - 修剪

• 修剪（trim）字符串：
  • 从字符串的开头和末尾去掉内容（通常是空白符）。
  • 常用于清理文件中读到的带缩进的文本，或者一行末尾意外带着的空白符，以便让结果更清晰
• slice.trim()：返回 slice 的子切片，不包含切片开头和末尾的空白符。
• slice.trim_left()：只忽略切片开头的空白符。
• slice.trim_right()：只忽略切片末尾的空白符。
• slice.trim_matches(pattern)：返回 slice 的子切片，不包含切片开头和末尾匹配 pattern 的内容。
• slice.trim_left_match(pattern)：仅对切片开头的内容执行匹配操作。
• slice.trim_right_match(pattern)：仅对切片末尾的内容执行匹配操作。

15.3.10 - 字符串大小写转换

• slice.to_uppercase()：返回新匹配的字符串，其保存着转换为大写之后的 slice 文本。结果的长度不一定与 slice 相同。
• slice.to_lowercase()：与上面类似，但是转换的是小写之后的 slice 文本。

15.3.11 - 从字符解析出其他类型

• 所有常见的类型都实现了 std::str::FromStr 特型，拥有从字符串切片中解析值的标准方法。

  pub trait FromStr: Sized {
      type Err;
      fn from_str(s: &str) -> Result<Self, self::Err>;
  }
  

• 用于存储 IPv4 或 IPv6 互联网地址的枚举（enum）类型 std::net::IpAddr 也实现了 FromStr。

  use std::net::IpAddr;
  let address = IpAddr::from_str("fe80::0000:3ea9:f4ff:fe34:7a50")?;
  assert_eq!(address, IpAddr::from([0xfe80, 0, 0, 0, 0x3ea9, 0xf4ff, 0xfe34, 0x7a50]));
  

• 字符串切片的 parse 方法，可以将切片解析为任何类型。在调用时，需要写出给定的类型。

  let address = "fe80::0000:3ea9:f4ff:fe34:7a50".parse::<IpAddr>()?;
  

15.3.12 - 将其他类型转换为字符串

• 实现了 std::fmt::Display 特型的打印类型，可以在 format! 宏中使用 {} 格式说明符。

  • 对于智能指针类型，如果 T 实现了 Display，则 Box、Rc 和 Arc 也会实现：它们所打印出来的形式就是它们引用目标的形式。
  • Vec 和 HashMap 等容器没有实现 Display。

• 如果一个类型实现了 Display，则标准库会自动为其实现 std::str::ToString 特型：

  • 这个特型唯一的方法 to_string。
  • 对于自定义类型建议实现 Display，而不是 ToString。

• 标准库的公共类型都实现了 std::fmt::Debug 特型：

  • 可以接收一个值并将其格式化为字符串形式，用于程序的调试。

  • Debug 生成的字符串，可以借助 format! 宏的 {:?} 格式说明符打印。

  • 自定义类型也可以实现 Debug，建议使用派生特型：

    #[derive(Copy, Clone, Debug)]
    struct Complex {
        r: f64,
        i: f64
    }
    

15.3.13 - 作为其他类文本类型借用 —— 切片的借用

• 切片和 String 实现了 AsRef、AsRef<[u8]>、AsRef 和 AsRef：使用这些特型作为自己参数类型的绑定，可以直接将切片或字符串传递给它们，及时这些函数需要的是其他类型。
• 切片和 String 也实现了 std::borrow::Borrow 特型：HashMap 和 BTreeMap 使用 Borrow 让 String 可以作为表中的键。

15.3.14 - 访问 UTF-8 格式的文本（字节表示的文本）

• slice.as_bytes()：借用 slice 的字节作为 &[u8]。获取的字节必须是格式良好的 UTF-8。
• string.into_bytes()：取得 String 的所有权并按值返回这个字符串字节的 Vec。获取的字节可以不是格式良好的 UTF-8。

15.3.15 - 从 UTF-8 数据产生文本

• str::from_utf8(byte_slice)：接收一个 &[u8] 字节切片，返回一个 Result：如果 byte_slice 包含格式良好的 UTF-8，则返回 Ok(&str)，否则返回错误。

• String::from_utf8(vec)：基于传入的 Vec 值构建一个字符串。

  • 如果 vec 保存着格式良好的 UTF-8，from_utf8 就返回 Ok(string)，其中 string 就是取得 vec 所有权，并将其作为缓冲的字符串。

  • 如果字节不是格式良好的 UTF-8，则返回 Err(e)，其中 e 是一个 FromUtf8Error 错误值。此时若调用 e.into_bytes() 则会得到原始的向量 vec，即可实现转换失败而不丢失原值。

    let good_utf8: Vec<u8> = vec![0xe9, 0x8c, 0x86];
    
    let bad_utf8: Vec<u8> = vec![0x9f, 0xf0, 0xa6, 0x80];
    let result = String::from_utf8(bad_utf8);  // 失败
    assert!(result.is_err());
    assert_eq!(result.unwrap_err().into_bytes(),
        vec![0x9f, 0xf0, 0xa6, 0x80]);
    

• String::from_utf8_lossy(byte_slice)：基于字节的共享切片 &[u8] 构建一个 String 或 &str。

• String::from_utf8_unchecked：将 Vec<>u8 包装为一个 String 并返回它，要求必须是格式良好的 UTF-8。只能在 unsafe 块中使用。

• str::from_utf8_unchecked：接收一个 &[u8]，并将其返回为一个 &str，同样不会检查字节的格式是不是格式良好的 UTF-8。同样只能在 unsafe 块中使用。

15.3.16 - 阻止分配

fn get_name() -> String {
    std::env::var("USER").unwrap_or("whoever you are".to_string())
}
println!("Greetings, {}!", get_name());

• 上述例子实现了问候用户的程序，在 Unix 上可以实现，但是在 Windows 上用户名用的是 USERNAME 字段，拿不到系统的用户名。

• std::env::var 函数返回 String。而 get_name 可能返回所有型的 String，也可能是 &'static str'。

• 所以，可以使用 std::borrow::Cow（Clone-on-write 写时克隆）类型实现，可以保存所有型数据，也可以保存借用的数据。

  use std::borrow::Cow;
  
  fn get_name() -> Cow<'static, str> {
      std::env::var("USER")
          .map(|v| Cow::Owned(v))
          .unwrap_or(Cow::Borrowed("whoever you are"))
  }
  println!("Greetings, {}!", get_name());
  

  • 如果成功读取 USER 环境变量，则 map 将得到的字符串作为 Cow::Owned 返回。
  • 如果失败，unwrap_or 将其静态的 &str 作为 Cow::Borrowed 返回。
  • 只要 T 实现了 std::fmt::Display 特型，那么 Cow<'a, T> 会得到与显示 T 一样的结果。

• std::borrow::Cow 常用于可能需要，也可能不需要修改借用的某个文本时。

  • 在不需要修改的时候，可以继续借用它；

  • Cow 的 to_mut 方法，确保 Cow 是 Cow::Owned，必要时会应用值的 ToOwned 实现，然后返回这个值的可修改引用。

    fn get_title() -> Option<&'static str> { ... }
    
    let mut name = get_name();
    if let Some(title) = get_title() {
        name.to_mut().push_str(", ");
        name.to_mut().push_str(title);
    }
    println!("Greetrings, {}!", name);
    

  • 同时也可以在必要时才会分配内存。

• 标准库为 Cow<'a, str> 提供了对字符串的特殊支持。如提供了来自 String 和 &str 的 From 和 Into 转换，因此上述 get_name 可以简写为：

  fn get_name() -> Cow<'static, str> {
      std::env::var("USER")
          .map(|v| v.into())
          .unwrap_or("whoever you are".into())
  }
  

• Cow<'a, str> 也实现了 std::ops::Add 和 std::ops::AddAssign 字符串重载，因此 get_title() 判断可以简写为：

  if let Some(title) = get_title() {
      name += ", ";
      name += title;
  }
  

• 由于 String 可以作为 write! 宏的目标，因此上述代码也等效于：

  use std::fmt::Write;
  
  if let Some(title) = get_title() {
      write!(name.to_mut(), ", {}", title).unwrap();
  }
  

• 不是所有 Cow<..., str> 都必须是'static 生命期，在需要复制之前，可以一直使用 Cow 借用之前计算的文本。

15.3.17 - 字符串作为泛型集合

• String 实现了std::default::Default 和std::iter::Extend::default

  • default 返回一个空字符串。
  • extend 可以向一个字符串末尾追加字符、字符串切片或字符串。

• &str类型也是实现了Default

  • 返回一个空切片。
  • 常用于在某些边界的情况。比如为包含字符串切片的结构派生 Default。

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详见《Rust 程序设计》（吉姆 - 布兰迪、贾森 - 奥伦多夫著，李松峰译）第十七章
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