Rust学习：11.1_集合类型之动态数组Vector
Rust学习：11.1_集合类型之动态数组Vector
前言
为了学习Rust，阅读了github上的Rust By Practice电子书，本文章只是用来记录自己的学习过程，感兴趣的可以阅读原书，希望大家都能掌握Rust！
集合类型
在 Rust 标准库中有这样一批原住民，它们天生贵族，当你看到的一瞬间，就能爱上它们，上面是我瞎编的，其实主要是离了它们不行，不信等会我介绍后，你放个狠话，非它们不用试试？
集合在 Rust 中是一类比较特殊的类型，因为 Rust 中大多数数据类型都只能代表一个特定的值，但是集合却可以代表一大堆值。而且与语言级别的数组、字符串类型不同，标准库里的这些家伙是分配在堆上，因此都可以进行动态的增加和减少。
瞧，第一个集合排着整体的队列登场了，它里面的每个元素都雄赳赳气昂昂跟在另外一个元素后面，大小、宽度、高度竟然全部一致，真是令人惊叹。 它就是 Vector 类型，允许你创建一个动态数组，它里面的元素是一个紧挨着另一个排列的。
紧接着，第二个集合在全场的嘘声和羡慕眼光中闪亮登场，只见里面的元素排成一对一对的，彼此都手牵着手，非对方莫属，这种情深深雨蒙蒙的样子真是…挺欠扁的。 它就是 HashMap 类型，该类型允许你在里面存储 KV 对，每一个 K 都有唯一的 V 与之配对。
最后，请用热烈的掌声迎接我们的 String 集合，哦，抱歉，String 集合天生低调，见不得前两个那样，因此被气走了，你可以去这里找它。
言归正传，本章所讲的 Vector、HashMap 再加上之前的 String 类型，是标准库中最最常用的集合类型，可以说，几乎任何一段代码中都可以找到它们的身影，那么先来看看 Vector。
动态数组 Vector
动态数组类型用 Vec 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，当我们想拥有一个列表，里面都是相同类型的数据时，动态数组将会非常有用。
创建动态数组
在 Rust 中，有多种方式可以创建动态数组。
Vec::new
使用 Vec::new 创建动态数组是最 rusty 的方式，它调用了 Vec 中的 new 关联函数：
let v: Vec<i32> = Vec::new();
这里，v 被显式地声明了类型 Vec，这是因为 Rust 编译器无法从 Vec::new() 中得到任何关于类型的暗示信息，因此也无法推导出 v 的具体类型，但是当你向里面增加一个元素后，一切又不同了：
let mut v = Vec::new();
v.push(1);
此时，v 就无需手动声明类型，因为编译器通过 v.push(1)，推测出 v 中的元素类型是 i32，因此推导出 v 的类型是 Vec。
如果预先知道要存储的元素个数，可以使用
Vec::with_capacity(capacity)创建动态数组，这样可以避免因为插入大量新数据导致频繁的内存分配和拷贝，提升性能
vec![]
还可以使用宏 vec! 来创建数组，与 Vec::new 有所不同，前者能在创建同时给予初始化值：
let v = vec![1, 2, 3];
同样，此处的 v 也无需标注类型，编译器只需检查它内部的元素即可自动推导出 v 的类型是 Vec （Rust 中，整数默认类型是 i32，在数值类型中有详细介绍）。
更新 Vector
向数组尾部添加元素，可以使用 push 方法：
let mut v = Vec::new();
v.push(1);
与其它类型一样，必须将 v 声明为 mut 后，才能进行修改。
Vector 与其元素共存亡
跟结构体一样，Vector 类型在超出作用域范围后，会被自动删除：
{
let v = vec![1, 2, 3];
// ...
} // <- v超出作用域并在此处被删除
当 Vector 被删除后，它内部存储的所有内容也会随之被删除。目前来看，这种解决方案简单直白，但是当 Vector 中的元素被引用后，事情可能会没那么简单。
从 Vector 中读取元素
读取指定位置的元素有两种方式可选：
- 通过下标索引访问。
- 使用
get方法。
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let third: &i32 = &v[2];
println!("第三个元素是 {}", third);
match v.get(2) {
Some(third) => println!("第三个元素是 {}", third),
None => println!("去你的第三个元素，根本没有！"),
}
和其它语言一样，集合类型的索引下标都是从 0 开始，&v[2] 表示借用 v 中的第三个元素，最终会获得该元素的引用。而 v.get(2) 也是访问第三个元素，但是有所不同的是，它返回了 Option<&T>，因此还需要额外的 match 来匹配解构出具体的值。
下标索引与 .get 的区别
这两种方式都能成功的读取到指定的数组元素，既然如此为什么会存在两种方法？何况 .get 还会增加使用复杂度，让我们通过示例说明：
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let does_not_exist = &v[100];
let does_not_exist = v.get(100);
运行以上代码，&v[100] 的访问方式会导致程序无情报错退出，因为发生了数组越界访问。 但是 v.get 就不会，它在内部做了处理，有值的时候返回 Some(T)，无值的时候返回 None，因此 v.get 的使用方式非常安全。
既然如此，为何不统一使用 v.get 的形式？因为实在是有些啰嗦，Rust 语言的设计者和使用者在审美这方面还是相当统一的：简洁即正义，何况性能上也会有轻微的损耗。
既然有两个选择，肯定就有如何选择的问题，答案很简单，当你确保索引不会越界的时候，就用索引访问，否则用 .get。例如，访问第几个数组元素并不取决于我们，而是取决于用户的输入时，用 .get 会非常适合，天知道那些可爱的用户会输入一个什么样的数字进来！
同时借用多个数组元素
既然涉及到借用数组元素，那么很可能会遇到同时借用多个数组元素的情况，还记得在所有权和借用章节咱们讲过的借用规则嘛？如果记得，就来看看下面的代码
let mut v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let first = &v[0];
v.push(6);
println!("The first element is: {}", first);
先不运行，来推断下结果，首先 first = &v[0] 进行了不可变借用，v.push 进行了可变借用，如果 first 在 v.push 之后不再使用，那么该段代码可以成功编译（原因见引用的作用域）。
可是上面的代码中，first 这个不可变借用在可变借用 v.push 后被使用了，那么妥妥的，编译器就会报错：
$ cargo run
Compiling collections v0.1.0 (file:///projects/collections)
error[E0502]: cannot borrow `v` as mutable because it is also borrowed as immutable 无法对v进行可变借用，因此之前已经进行了不可变借用
--> src/main.rs:6:5
|
4 | let first = &v[0];
| - immutable borrow occurs here // 不可变借用发生在此处
5 |
6 | v.push(6);
| ^^^^^^^^^ mutable borrow occurs here // 可变借用发生在此处
7 |
8 | println!("The first element is: {}", first);
| ----- immutable borrow later used here // 不可变借用在这里被使用
For more information about this error, try `rustc --explain E0502`.
error: could not compile `collections` due to previous error
其实，按理来说，这两个引用不应该互相影响的：一个是查询元素，一个是在数组尾部插入元素，完全不相干的操作，为何编译器要这么严格呢？
原因在于：数组的大小是可变的，当旧数组的大小不够用时，Rust 会重新分配一块更大的内存空间，然后把旧数组拷贝过来。这种情况下，之前的引用显然会指向一块无效的内存，这非常 rusty —— 对用户进行严格的教育。
其实想想，在长大之后，我们感激人生路上遇到过的严师益友，正是因为他们，我们才在正确的道路上不断前行，虽然在那个时候，并不能理解他们，而 Rust 就如那个良师益友，它不断的在纠正我们不好的编程习惯，直到某一天，你发现自己能写出一次性通过的漂亮代码时，就能明白它的良苦用心。
若读者想要更深入的了解
Vec，可以看看Rustonomicon，其中从零手撸一个动态数组，非常适合深入学习
迭代遍历 Vector 中的元素
如果想要依次访问数组中的元素，可以使用迭代的方式去遍历数组，这种方式比用下标的方式去遍历数组更安全也更高效（每次下标访问都会触发数组边界检查）：
let v = vec![1, 2, 3];
for i in &v {
println!("{}", i);
}
也可以在迭代过程中，修改 Vector 中的元素：
let mut v = vec![1, 2, 3];
for i in &mut v {
*i += 10
}
存储不同类型的元素
在本节开头，有讲到数组的元素必需类型相同，但是也提到了解决方案：那就是通过使用枚举类型和特征对象来实现不同类型元素的存储。先来看看通过枚举如何实现：
#[derive(Debug)]
enum IpAddr {
V4(String),
V6(String)
}
fn main() {
let v = vec![
IpAddr::V4("127.0.0.1".to_string()),
IpAddr::V6("::1".to_string())
];
for ip in v {
show_addr(ip)
}
}
fn show_addr(ip: IpAddr) {
println!("{:?}",ip);
}
数组 v 中存储了两种不同的 ip 地址，但是这两种都属于 IpAddr 枚举类型的成员，因此可以存储在数组中。
再来看看特征对象的实现：
trait IpAddr {
fn display(&self);
}
struct V4(String);
impl IpAddr for V4 {
fn display(&self) {
println!("ipv4: {:?}",self.0)
}
}
struct V6(String);
impl IpAddr for V6 {
fn display(&self) {
println!("ipv6: {:?}",self.0)
}
}
fn main() {
let v: Vec<Box<dyn IpAddr>> = vec![
Box::new(V4("127.0.0.1".to_string())),
Box::new(V6("::1".to_string())),
];
for ip in v {
ip.display();
}
}
比枚举实现要稍微复杂一些，我们为 V4 和 V6 都实现了特征 IpAddr，然后将它俩的实例用 Box::new 包裹后，存在了数组 v 中，需要注意的是，这里必需手动的指定类型：Vec，表示数组 v 存储的是特征 IpAddr 的对象，这样就实现了在数组中存储不同的类型。
在实际使用场景中，特征对象数组要比枚举数组常见很多，主要原因在于特征对象非常灵活，而编译器对枚举的限制较多，且无法动态增加类型。
最后，如果你想要了解 Vector 更多的用法，请参见本书的标准库解析章节：Vector常用方法
练习
基本操作
1.
fn main() {
let arr: [u8; 3] = [1, 2, 3];
let v = Vec::from(arr);
is_vec(v);
let v = vec![1, 2, 3];
is_vec(v);
// vec!(..) 和 vec![..] 是同样的宏，宏可以使用 []、()、{}三种形式，因此...
let v = vec!(1, 2, 3);
is_vec(v);
// ...在下面的代码中, v 是 Vec<[u8; 3]> , 而不是 Vec✅修改：
fn main() {
let arr: [u8; 3] = [1, 2, 3];
let v = Vec::from(arr);
is_vec(&v);
let v = vec![1, 2, 3];
is_vec(&v);
// vec!(..) 和 vec![..] 是同样的宏，宏可以使用 []、()、{}三种形式，因此...
let v = vec!(1, 2, 3);
is_vec(&v);
// ...在下面的代码中, v 是 Vec<[u8; 3]> , 而不是 Vec2.
Vec 可以使用 extend 方法进行扩展
// 填空
fn main() {
let mut v1 = Vec::from([1, 2, 4]);
v1.pop();
v1.push(3);
let mut v2 = Vec::new();
v2.__;
assert_eq!(v1, v2);
println!("Success!")
}
✅修改：
// 填空
fn main() {
let mut v1 = Vec::from([1, 2, 4]);
v1.pop();
v1.push(3);
let mut v2 = Vec::new();
v2.extend([1,2,3]);
assert_eq!(v1, v2);
println!("Success!")
}
将 X 类型转换(From/Into 特征)成 Vec
只要为 Vec 实现了 From 特征，那么 T 就可以被转换成 Vec。
3.
// 填空
fn main() {
// array -> Vec
// impl From<[T; N]> for Vec
let arr = [1, 2, 3];
let v1 = __(arr);
let v2: Vec<i32> = arr.__();
assert_eq!(v1, v2);
// String -> Vec
// impl From for Vec
let s = "hello".to_string();
let v1: Vec<u8> = s.__();
let s = "hello".to_string();
let v2 = s.into_bytes();
assert_eq!(v1, v2);
// impl<'_> From<&'_ str> for Vec
let s = "hello";
let v3 = Vec::__(s);
assert_eq!(v2, v3);
// 迭代器 Iterators 可以通过 collect 变成 Vec
let v4: Vec<i32> = [0; 10].into_iter().collect();
assert_eq!(v4, vec![0; 10]);
println!("Success!")
}
✅修改：
// 填空
fn main() {
// array -> Vec
// impl From<[T; N]> for Vec
let arr = [1, 2, 3];
let v1 = Vec::from(arr);
let v2: Vec<i32> = arr.into();
assert_eq!(v1, v2);
// String -> Vec
// impl From for Vec
let s = "hello".to_string();
let v1: Vec<u8> = s.into();
let s = "hello".to_string();
let v2 = s.into_bytes();
assert_eq!(v1, v2);
// impl<'_> From<&'_ str> for Vec
let s = "hello";
let v3 = Vec::from(s);
assert_eq!(v2, v3);
println!("Success!")
}
索引
4.
// 修复错误并实现缺失的代码
fn main() {
let mut v = Vec::from([1, 2, 3]);
for i in 0..5 {
println!("{:?}", v[i])
}
for i in 0..5 {
// 实现这里的代码...
}
assert_eq!(v, vec![2, 3, 4, 5, 6]);
println!("Success!")
}
✅修改：
// 修复错误并实现缺失的代码
fn main() {
let mut v = Vec::from([1, 2, 3, 4, 5]);
for i in 0..5 {
println!("{:?}", v[i])
}
for i in 0..5 {
// 实现这里的代码...
v[i] += 1;
}
assert_eq!(v, vec![2, 3, 4, 5, 6]);
println!("Success!")
}
索引
5.
// 修复错误
fn main() {
let mut v = vec![1, 2, 3];
let slice1 = &v[..];
// 越界访问将导致 panic.
// 修改时必须使用 `v.len`
let slice2 = &v[0..4];
assert_eq!(slice1, slice2);
// 切片是只读的
// 注意：切片和 `&Vec` 是不同的类型，后者仅仅是 `Vec` 的引用，并可以通过解引用直接获取 `Vec`
let vec_ref: &mut Vec<i32> = &mut v;
(*vec_ref).push(4);
let slice3 = &mut v[0..3];
slice3.push(4);
assert_eq!(slice3, &[1, 2, 3, 4]);
println!("Success!")
}
✅修改：
// 修复错误
fn main() {
let mut v = vec![1, 2, 3];
let slice1 = &v[..];
// 越界访问将导致 panic.
// 修改时必须使用 `v.len`
let slice2 = &v[0..v.len()];
assert_eq!(slice1, slice2);
// 切片是只读的
// 注意：切片和 `&Vec` 是不同的类型，后者仅仅是 `Vec` 的引用，并可以通过解引用直接获取 `Vec`
let vec_ref: &mut Vec<i32> = &mut v;
(*vec_ref).push(4);
let slice3 = &mut v[0..];
assert_eq!(slice3, &[1, 2, 3, 4]);
println!("Success!")
}
容量
容量 capacity 是已经分配好的内存空间，用于存储未来添加到 Vec 中的元素。而长度 len 则是当前 Vec 中已经存储的元素数量。如果要添加新元素时，长度将要超过已有的容量，那容量会自动进行增长：Rust 会重新分配一块更大的内存空间，然后将之前的 Vec 拷贝过去，因此，这里就会发生新的内存分配( 目前 Rust 的容量调整策略是加倍，例如 2 -> 4 -> 8 …)。
若这段代码会频繁发生，那频繁的内存分配会大幅影响我们系统的性能，最好的办法就是提前分配好足够的容量，尽量减少内存分配。
6.
// 修复错误
fn main() {
let mut vec = Vec::with_capacity(10);
assert_eq!(vec.len(), __);
assert_eq!(vec.capacity(), 10);
// 由于提前设置了足够的容量，这里的循环不会造成任何内存分配...
for i in 0..10 {
vec.push(i);
}
assert_eq!(vec.len(), __);
assert_eq!(vec.capacity(), __);
// ...但是下面的代码会造成新的内存分配
vec.push(11);
assert_eq!(vec.len(), 11);
assert!(vec.capacity() >= 11);
// 填写一个合适的值，在 `for` 循环运行的过程中，不会造成任何内存分配
let mut vec = Vec::with_capacity(__);
for i in 0..100 {
vec.push(i);
}
assert_eq!(vec.len(), __);
assert_eq!(vec.capacity(), __);
println!("Success!")
}
✅修改：
// 修复错误
fn main() {
let mut vec = Vec::with_capacity(10);
assert_eq!(vec.len(), 0);
assert_eq!(vec.capacity(), 10);
// 由于提前设置了足够的容量，这里的循环不会造成任何内存分配...
for i in 0..10 {
vec.push(i);
}
assert_eq!(vec.len(), 10);
assert_eq!(vec.capacity(), 10);
// ...但是下面的代码会造成新的内存分配
vec.push(11);
assert_eq!(vec.len(), 11);
assert!(vec.capacity() >= 11);
// 填写一个合适的值，在 `for` 循环运行的过程中，不会造成任何内存分配
let mut vec = Vec::with_capacity(100);
for i in 0..100 {
vec.push(i);
}
assert_eq!(vec.len(), 100);
assert_eq!(vec.capacity(), 100);
println!("Success!")
}
在 Vec 中存储不同类型的元素
Vec 中的元素必须是相同的类型，例如以下代码会发生错误:
fn main() {
let v = vec![1, 2.0, 3];
}
但是我们可以使用枚举或特征对象来存储不同的类型.
7.
#[derive(Debug)]
enum IpAddr {
V4(String),
V6(String),
}
fn main() {
// 填空
let v : Vec<IpAddr>= __;
// 枚举的比较需要派生 PartialEq 特征
assert_eq!(v[0], IpAddr::V4("127.0.0.1".to_string()));
assert_eq!(v[1], IpAddr::V6("::1".to_string()));
println!("Success!")
}
✅修改：
#[derive(Debug, PartialEq)]
enum IpAddr {
V4(String),
V6(String),
}
fn main() {
// 填空
let v : Vec<IpAddr>= vec![
IpAddr::V4(String::from("127.0.0.1")),
IpAddr::V6(String::from("::1")),
];
// 枚举的比较需要派生 PartialEq 特征
assert_eq!(v[0], IpAddr::V4("127.0.0.1".to_string()));
assert_eq!(v[1], IpAddr::V6("::1".to_string()));
println!("Success!")
}
8.
trait IpAddr {
fn display(&self);
}
struct V4(String);
impl IpAddr for V4 {
fn display(&self) {
println!("ipv4: {:?}",self.0)
}
}
struct V6(String);
impl IpAddr for V6 {
fn display(&self) {
println!("ipv6: {:?}",self.0)
}
}
fn main() {
// 填空
let v: __= vec![
Box::new(V4("127.0.0.1".to_string())),
Box::new(V6("::1".to_string())),
];
for ip in v {
ip.display();
}
}
✅修改：
trait IpAddr {
fn display(&self);
}
struct V4(String);
impl IpAddr for V4 {
fn display(&self) {
println!("ipv4: {:?}",self.0)
}
}
struct V6(String);
impl IpAddr for V6 {
fn display(&self) {
println!("ipv6: {:?}",self.0)
}
}
fn main() {
// 填空
let v: Vec<Box<dyn IpAddr>>= vec![
Box::new(V4("127.0.0.1".to_string())),
Box::new(V6("::1".to_string())),
];
for ip in v {
ip.display();
}
}