Rust中向量的學(xué)習(xí)筆記

更新時(shí)間：2024年03月14日 09:38:43 作者：希望_睿智

在Rust語言中,向量是一種動(dòng)態(tài)數(shù)組類型,可以存儲(chǔ)相同類型的元素,并且可以在運(yùn)行時(shí)改變大小,本文就來介紹一下Rust中向量,感興趣的可以了解一下

概述

在Rust語言中，向量（Vector）是一種動(dòng)態(tài)數(shù)組類型，可以存儲(chǔ)相同類型的元素，并且可以在運(yùn)行時(shí)改變大小。向量是Rust標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的一部分，位于std::vec模塊中。向量是一個(gè)非常靈活和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便地用于各種場(chǎng)景，包括：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、處理集合、構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)組等。

向量的創(chuàng)建

向量類型由標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的Vec<T>結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)，這里的T是類型參數(shù)，代表向量能夠存儲(chǔ)任何類型的單個(gè)值，但所有元素必須是同一類型。Rust的向量是在堆上分配的，這意味著當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)向量時(shí)，它會(huì)在堆上分配內(nèi)存，而不是在棧上。因此，當(dāng)向量超出作用域時(shí)，Rust會(huì)自動(dòng)釋放其占用的內(nèi)存，防止內(nèi)存泄漏。

在Rust中，創(chuàng)建向量主要有以下4種方法。

1、使用Vec::new創(chuàng)建空向量。

let mut vec_number: Vec<i32> = Vec::new();

2、使用vec!宏創(chuàng)建帶有初始值的向量。

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)向量
    let vec_number: Vec<i32> = vec![66, 99, 100];
    println!("{:?}", vec_number);

    // 創(chuàng)建一個(gè)字符串向量
    let vec_str: Vec<String> = vec!["CSDN".to_string(), "GitHub".to_string()];
    println!("{:?}", vec_str);
}

3、使用vec!宏創(chuàng)建指定長(zhǎng)度，并初始化所有元素為相同值的向量。

fn main() {
    let vec_number: Vec<i32> = vec![0; 5];
    // 輸出：[0, 0, 0, 0, 0]
    println!("{:?}", vec_number);
}

4、使用Vec::with_capacity創(chuàng)建具有特定容量，但長(zhǎng)度為0的向量。

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)初始為空，但足夠存儲(chǔ)5個(gè)整型元素的向量
    let mut vec_number: Vec<i32> = Vec::with_capacity(5);
    // 輸出：[]
    println!("{:?}", vec_number);
}

向量的訪問

訪問向量的元素，可以通過索引或迭代器進(jìn)行。

1、通過索引訪問。注意：Rust中的索引是基于0的，即第一個(gè)元素的索引是0，最后一個(gè)元素的索引是向量長(zhǎng)度減1。在Rust中使用索引訪問元素，沒有運(yùn)行時(shí)邊界檢查。如果索引超過邊界，會(huì)導(dǎo)致程序崩潰。為了更安全地使用索引訪問，避免因索引越界引發(fā)崩潰，可以使用get()方法或get_mut()方法，它返回一個(gè)Option<&T>或Option<&mut T>。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![66, 99, 100];
    // 訪問第一個(gè)元素，輸出：66
    println!("{}", vec_number[0]);
    // 修改第二個(gè)元素
    vec_number[2] = 88;

    // 安全訪問，當(dāng)索引不存在時(shí)，不會(huì)panic
    if let Some(value) = vec_number.get(2) {
        // 輸出：88
        println!("{}", value);
    } else {
        println!("out of bounds");
    }

    // 對(duì)可變引用的安全訪問，可修改向量中的元素
    let mut vec_mut = vec![1, 2, 3];
    if let Some(value) = vec_mut.get_mut(1) {
        *value = 1024;
    }

    // 輸出：[1, 1024, 3]
    println!("{:?}", vec_mut);
    
    // 獲取向量的長(zhǎng)度，輸出：3
    println!("{}", vec_mut.len());
    // 清空向量，并判斷向量是否為空
    vec_mut.clear();
    if vec_mut.is_empty() {
        println!("empty");
    } else {
        println!("not empty");
    }
}

2、通過迭代器訪問。迭代器（Iterator）是訪問向量元素的一種安全、高效且靈活的方式。通過迭代器可以遍歷向量中的所有元素，并對(duì)它們執(zhí)行操作，而無需關(guān)心具體的索引。iter()方法用于獲取只讀迭代器，iter_mut()方法用于獲取可寫迭代器，into_iter()方法用于消耗向量并迭代。

fn main() {
    let mut vec_str = vec!["CSDN", "GitHub", "Gitee"];

    // 使用for循環(huán)遍歷向量的所有元素
    for s in &vec_str {
        println!("{}", s);
    }
    
    // 使用iter()顯式獲取迭代器
    for s in vec_str.iter() {
        println!("{}", s);
    }
    
    // 若要修改元素，需使用iter_mut()獲得可變引用迭代器
    for s in vec_str.iter_mut() {
        if s.starts_with("C") {
            *s = "Rust";
        }
    }

    println!("{:?}", vec_str);
    
    for s in vec_str.into_iter() {
        println!("{}", s);
    }
    // 到這里時(shí)，vec_str不再有效，因?yàn)樗呀?jīng)被消耗掉了
    // println!("{:?}", vec_str);
}

向量的修改

1、添加、移除元素。使用push方法可以將元素添加到向量的末尾，使用pop方法可以從向量的末尾移除元素并返回該元素。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20];
    vec_number.push(66);
    // 輸出：[10, 20, 66]
    println!("{:?}", vec_number);

    let last_number = vec_number.pop();
    // 輸出：66
    if let Some(value) = last_number {
        println!("{}", value);
    } else {
        println!("no data");
    }
    
    // 輸出：[10, 20]
    println!("{:?}", vec_number);
}

2、插入、刪除元素。insert)方法用于將元素插入到指定索引位置，原有位置及之后的元素都會(huì)右移。remove()方法用于刪除并返回指定索引位置的元素，之后的元素會(huì)左移填補(bǔ)空位。注意：插入和刪除操作可能導(dǎo)致向量?jī)?nèi)部需要重新分配內(nèi)存以適應(yīng)大小的變化，這可能涉及到元素的移動(dòng)；因此，對(duì)于大型數(shù)據(jù)集或性能敏感的應(yīng)用，這些操作可能會(huì)有較高的時(shí)間開銷。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20];
    // 插入元素
    vec_number.insert(1, 66);
    // 輸出：[10, 66, 20]
    println!("{:?}", vec_number);

    // 刪除元素
    vec_number.remove(0);
    // 輸出：[66, 20]
    println!("{:?}", vec_number);
}

向量的切片

Rust的向量支持切片操作，這意味著，我們可以獲取向量的一部分作為新的向量。切片是通過指定起始索引和結(jié)束索引來創(chuàng)建的，注意：包括起始索引的元素，但不包括結(jié)束索引的元素。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20, 30, 40, 50];

    // 獲取一個(gè)切片，從索引2到4（不包括4）
    let slice = &mut vec_number[2..4];
    // 輸出：[30, 40]
    println!("{:?}", slice);

    // 修改切片中的元素
    for item in slice.iter_mut() {
        *item *= 2;
    }

    // 輸出：[60, 80]
    println!("{:?}", slice);
}

向量的排序

Rust的向量可以通過sort()方法或sort_unstable()來進(jìn)行排序，還可以通過sort_by()方法或sort_unstable_by()方法根據(jù)自定義的比較邏輯來進(jìn)行排序。sort()方法是穩(wěn)定的排序算法，即相同元素的相對(duì)順序不會(huì)改變。sort_unstable()方法是不穩(wěn)定的排序算法，意味著相同的元素可能會(huì)改變相對(duì)順序，但總體上會(huì)按照給定的排序規(guī)則排序。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![7, 88, 12, 36, 50];

    // 默認(rèn)為升序排序
    vec_number.sort_unstable(); 
    // 輸出：[7, 12, 36, 50, 88]
    println!("{:?}", vec_number);

    // 顯式指定排序規(guī)則，仍然是升序
    vec_number.sort_by(|a, b| a.cmp(b));

    // 輸出: [7, 12, 36, 50, 88]
    println!("{:?}", vec_number);

    // 若要降序排序，反轉(zhuǎn)比較結(jié)果
    vec_number.sort_unstable_by(|a, b| b.cmp(a));
    // 輸出: [88, 50, 36, 12, 7]
    println!("{:?}", vec_number);
}

向量的擴(kuò)展和收縮

在Rust中，向量提供了幾種方法來管理其容量和大小。容量是向量在內(nèi)存中為元素預(yù)留的空間大小，而大小則是向量當(dāng)前實(shí)際包含的元素?cái)?shù)量。當(dāng)添加元素到向量時(shí)，如果當(dāng)前容量不足，向量可能會(huì)自動(dòng)增長(zhǎng)其容量。但這并不意味著當(dāng)我們刪除元素時(shí)，向量會(huì)自動(dòng)縮小其容量。

以下是向量中用于管理容量的幾個(gè)方法。

1、resize方法用于改變?nèi)萘康拇笮?。如果新的大小大于?dāng)前大小，向量會(huì)在末尾添加默認(rèn)值（對(duì)于整數(shù)類型，通常是0；對(duì)于其他類型，則依賴于其默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)）。如果新的大小小于當(dāng)前大小，向量會(huì)丟棄末尾的多余元素。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20, 30];
    // 向量為[10, 20, 30, 0, 0]，大小為5，容量可能增長(zhǎng)以容納更多元素
    vec_number.resize(5, 0);
    println!("{:?}", vec_number);

    // 向量為[10, 20]，大小為2，但容量可能仍然大于2
    vec_number.resize(2, 0);
    println!("{:?}", vec_number);
}

2、reserve方法用于確保向量至少有足夠的容量來存儲(chǔ)指定數(shù)量的元素，而不會(huì)重新分配。如果當(dāng)前容量小于所需容量，向量會(huì)分配更多內(nèi)存，這不會(huì)改變向量的大小。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20, 30];
    // 確保vec至少有20的容量，但不改變其大小和內(nèi)容
    vec_number.reserve(20);
    // 輸出：[10, 20, 30]
    println!("{:?}", vec_number);
}

3、shrink_to_fit方法嘗試將向量的容量減少到與其大小相同。這通常在我們確定不再需要額外容量，并且希望減少內(nèi)存使用時(shí)很有效。注意：這個(gè)方法并不保證一定能減少容量，某些情況下，出于性能或?qū)崿F(xiàn)的原因，向量可能會(huì)保留一些額外的容量。

fn main() {
    let mut vec_number = vec![10, 20, 30];
    // 將容量增加到10
    vec_number.reserve(10);
    // 刪除一個(gè)元素，現(xiàn)在大小是2，但容量可能仍然是10
    vec_number.pop();
    // 嘗試將容量減少到2
    vec_number.shrink_to_fit();
    println!("{}", vec_number.capacity());
}

注意：在使用上述這些方法時(shí)，我們應(yīng)該考慮性能開銷和內(nèi)存使用之間的權(quán)衡。頻繁地調(diào)整向量的容量可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能開銷，因此在確定確實(shí)需要調(diào)整容量時(shí)，才應(yīng)該使用這些方法。

向量的連接和合并

在Rust中，如果想要連接或合并多個(gè)集合，可以使用extend方法，或者利用迭代器的collect方法。在下面的示例代碼中，我們使用extend方法后，vec2被轉(zhuǎn)移了所有權(quán)，已經(jīng)無效了。collect方法通常與迭代器一起使用，用于將迭代器中的元素收集到一個(gè)集合中。

fn main() {
    let mut vec1 = vec![1, 2, 3];
    let vec2 = vec![4, 5, 6];
    
    // 將vec2的內(nèi)容添加到vec1末尾
    vec1.extend(vec2);
    // 輸出：[1, 2, 3, 4, 5, 6]
    println!("{:?}", vec1);
    // vec2被extend函數(shù)轉(zhuǎn)移了所有權(quán)，到這里時(shí)無效了
    // println!("{:?}", vec2);
    
    // 創(chuàng)建一個(gè)新的向量來包含兩個(gè)向量的內(nèi)容
    let vec3 = vec![1, 2, 3];
    let vec4 = vec![4, 5, 6];
    let vec5: Vec<i32> = vec3.into_iter().chain(vec4).collect();
    // 輸出：[1, 2, 3, 4, 5, 6]
    println!("{:?}", vec5);
}

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