Rust学习教程18 - 数组

Posted 2023-01-15 孙飞 Sunface

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
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数组

在日常开发中，使用最广的数据结构之一就是数组，在Rust中，最常用的数组有两个，第一个是长度固定且很快速的array，第二个是可动态增长的但是有一点性能损耗的Vector，在本书中，我们称呼array为数组，Vector为动态数组。

不知道你们发现没，这两个数组的关系跟&str与String的关系很像，前者是长度固定的字符串切片，后者是可动态增长的字符串。其实，在Rust中无论是String还是Vector，它们都是Rust的高级类型：集合类型，在后面章节会有详细介绍。

对于本章节，我们的重点还是放在数组array上。数组的具体定义很简单：将多个类型相同的元素依次组合在一起，就是一个数组。结合上面的内容，可以得出数组的三要素：

• 长度固定
• 元素必须有相同的类型
• 依次线性排列

这里再啰嗦一句，我们这里说的数组是Rust的基本类型，因此长度是固定的，这个跟其他编程语言不同，而其它编程语言的数组往往对应的是Rust中的动态数组Vector，希望读者大大牢记此点。

创建数组

在Rust中，数组是这样定义的：

fn main() 
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];

数组语法跟javascript很像，也跟大多数编程语言很像。由于它的元素类型大小固定，且长度也是固定，因此数组是存储在栈上，性能也会非常优秀。与此对应，动态数组Vector是存储在堆上，因此长度可以动态改变。当你不确定是使用数组还是动态数组时，那就应该使用后者，具体见[动态数组Vector]一章.

举个例子，在需要知道一年中各个月份名称的程序中，你很可能希望使用的是数组而不是动态数组。因为月份是固定的，它总是包含 12 个元素：

let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];

在一些时候，还需要为数组声明类型，如下所示：

let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

这里，数组类型是通过方括号语法声明，i32是元素类型，分号后面的数字5是数组长度，数组类型也从侧面说明了数组的元素类型要统一，长度要固定.

还可以使用下面的语法初始化一个某个值重复出现N次的数组:

let a: = [3; 5];

a数组包含5个元素,这些元素的初始化值为3，聪明的读者已经发现，这种语法跟数组类型的声明语法其实是保持一致的：[3;5] 和[类型;长度].

在元素重复的场景，这种写法要简单的多，否则你就得疯狂敲击键盘：let a = [3, 3, 3, 3, 3];,不过老板可能很喜欢你的这种疯狂编程的状态。

访问数组元素

因为数组是连续存放元素的，因此可以通过索引的方式来访问存放其中的元素：

fn main() 
    let a = [9, 8, 7, 6, 5];

    let first = a[0]; // 获取a数组第一个元素
    let second = a[1]; // 获取第二个元素

此处，first获取到的值是9,second是8。

越界访问

假如使用超出数组范围的索引访问数组元素，就发生什么？下面是一个接收用户的控制台输入，然后用于访问数组元素的例子：

use std::io;

fn main() 
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];

    println!("Please enter an array index.");

    let mut index = String::new();
    // 读取控制台的输出
    io::stdin()
        .read_line(&mut index)
        .expect("Failed to read line");

    let index: usize = index
        .trim()
        .parse()
        .expect("Index entered was not a number");

    let element = a[index];

    println!(
        "The value of the element at index  is: ",
        index, element
    );

使用cargo run来运行代码，因为数组只有5个元素，如果我们试图输入5去访问第6个元素，则会访问到不存在的数组元素，最终程序会崩溃退出：

Please enter an array index.
5
thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 5 but the index is 5', src/main.rs:19:19
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

这就是数组访问越界，访问了数组中不存在的元素，导致Rust运行时错误。程序因此退出并显示错误消息，未执行最后的println!语句。

当你尝试使用索引访问元素时，Rust 将检查你指定的索引是否小于数组长度。如果索引大于或等于数组长度，Rust会出现 panic。这种检查必须在运行时进行，尤其是在这种情况下，因为编译器无法在编译期知道用户之后运行代码时将输入什么值。

这种就是Rust的安全特性之一。在很多系统编程语言中，并不会检查数组越界问题，你会访问到无效的内存地址获取到一个风马牛不相及的值，最终导致在程序逻辑上出现大问题，而且这种问题会非常难以检查。

数组切片

在之前的章节，我们有讲到切片这个概念,它允许你引用集合中的某个连续片段，而不是整个集合，对于数组也是，数组切片允许我们引用数组的一部分：

let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice: &[i32] = &a[1..3];

assert_eq!(slice, &[2, 3]);

上面的数组切片slice的类型是&[i32],与之对比，数组的类型是[i32;5]，简单总结下切片的特点：

• 切片的长度与数组不同，并不是固定的，而是取决于你使用时指定的开始和结束位置
• 创建切片的代价非常小，因为切片只是针对底层数组的一个引用
• 切片类型[T]拥有不固定的大小，而切片引用类型&[T]则具有固定的大小，因为Rust很多时候都需要固定大小数据类型，因此&[T]更有用,&str字符串切片也同理

总结

最后，让我们以一个综合性使用数组的例子，来结束本章节的学习：

fn main() 
  // 编译器自动推导出one的类型
  let one             = [1, 2, 3];
  // 显式类型标注
  let two: [u8; 3]    = [1, 2, 3];
  let blank1          = [0; 3];
  let blank2: [u8; 3] = [0; 3];
    
  // arrays是一个二维数组，其中每一个元素都是一个数组，元素类型是[u8; 3]
  let arrays: [[u8; 3]; 4]  = [one, two, blank1, blank2];
  
  // 借用arrays的元素用作循环中
  for a in &arrays 
    print!(":?: ", a);
    // 将a变成一个迭代器，用于循环
    // 你也可以直接用for n in a 来进行循环
    for n in a.iter() 
      print!("\\t + 10 = ", n, n+10);
    
 
    let mut sum = 0;
    // 0..a.len,是一个Rust的语法糖，其实就等于一个数组，元素是从0,1,2一直增加到到a.len-1
    for i in 0..a.len() 
      sum += a[i];
    
    println!("\\t(:? = )", a, sum);
  

做个总结，数组虽然很简单，但是其实还是存在几个要注意的点：

• 数组类型容易跟数组切片混淆,[T;n]描述了一个数组的类型，而[T]描述了切片的类型, 因为切片是运行期的数据结构，因此它不具备编译器的长度，因此不能用[T;n]的形式去描述
• [u8; 3]和[u8;4]是不同的类型，数组的长度也是类型的一部分
• 在实践中，使用最多的是数组切片[T]，我们往往通过引用的方式去使用&[T],因为后者有固定的类型大小.

至此，关于数据类型部分，我们已经全部学完了，对于Rust学习而言，我们也迈出了坚定的第一步，后面将开始对更高级特性的学习。未来如果大家有疑惑需要检索知识，一样可以继续回顾过往的章节，因为本书不仅仅是一门Rust的教程，还是一本厚重的Rust工具书。