2.9.1 动态数组 Vector

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。

1. 创建动态数组

在 Rust 中，有多种方式可以创建动态数组。

1.1 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<i32>，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<i32>。

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

1.2 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<i32> （Rust 中，整数默认类型是 i32，在数值类型中有详细介绍）。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

细心的同学会注意到这里使用了两种格式化输出的方式，其中第一种我们在之前已经见过，而第二种是后续新版本中引入的写法，也是更推荐的用法，具体介绍请参见格式化输出章节。

4.1 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，这就涉及到数组越界的问题了，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！

5. 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<T>，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。6.

6. 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
}

7. 存储不同类型的元素

在本节开头，有讲到数组的元素必须类型相同，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，这里必须手动地指定类型：Vec<Box<dyn IpAddr>>，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。

8. Vector 常用方法

初始化 vec 的更多方式：

fn main() {
    let v = vec![0; 3];   // 默认值为 0，初始长度为 3
    let v_from = Vec::from([0, 0, 0]);
    assert_eq!(v, v_from);
}

动态数组意味着我们增加元素时，如果容量不足就会导致 vector 扩容（目前的策略是重新申请一块 2 倍大小的内存，再将所有元素拷贝到新的内存位置，同时更新指针数据），显然，当频繁扩容或者当元素数量较多且需要扩容时，大量的内存拷贝会降低程序的性能。

可以考虑在初始化时就指定一个实际的预估容量，尽量减少可能的内存拷贝：

fn main() {
    let mut v = Vec::with_capacity(10);
    v.extend([1, 2, 3]);    // 附加数据到 v
    println!("Vector 长度是: {}, 容量是: {}", v.len(), v.capacity());

    v.reserve(100);        // 调整 v 的容量，至少要有 100 的容量
    println!("Vector（reserve） 长度是: {}, 容量是: {}", v.len(), v.capacity());

    v.shrink_to_fit();     // 释放剩余的容量，一般情况下，不会主动去释放容量
    println!("Vector（shrink_to_fit） 长度是: {}, 容量是: {}", v.len(), v.capacity());
}

Vector 常见的一些方法示例：

let mut v =  vec![1, 2];
assert!(!v.is_empty());         // 检查 v 是否为空

v.insert(2, 3);                 // 在指定索引插入数据，索引值不能大于 v 的长度， v: [1, 2, 3] 
assert_eq!(v.remove(1), 2);     // 移除指定位置的元素并返回, v: [1, 3]
assert_eq!(v.pop(), Some(3));   // 删除并返回 v 尾部的元素，v: [1]
assert_eq!(v.pop(), Some(1));   // v: []
assert_eq!(v.pop(), None);      // 记得 pop 方法返回的是 Option 枚举值
v.clear();                      // 清空 v, v: []

let mut v1 = [11, 22].to_vec(); // append 操作会导致 v1 清空数据，增加可变声明
v.append(&mut v1);              // 将 v1 中的所有元素附加到 v 中, v1: []
v.truncate(1);                  // 截断到指定长度，多余的元素被删除, v: [11]
v.retain(|x| *x > 10);          // 保留满足条件的元素，即删除不满足条件的元素

let mut v = vec![11, 22, 33, 44, 55];
// 删除指定范围的元素，同时获取被删除元素的迭代器, v: [11, 55], m: [22, 33, 44]
let mut m: Vec<_> = v.drain(1..=3).collect();    

let v2 = m.split_off(1);        // 指定索引处切分成两个 vec, m: [22], v2: [33, 44]

当然也可以像数组切片的方式获取 vec 的部分元素：

fn main() {
    let v = vec![11, 22, 33, 44, 55];
    let slice = &v[1..=3];
    assert_eq!(slice, &[22, 33, 44]);
}

更多细节，阅读 Vector 的标准库文档。

9. Vector 的排序

在 rust 里，实现了两种排序算法，分别为稳定的排序 sort 和 sort_by，以及非稳定排序 sort_unstable 和 sort_unstable_by。

当然，这个所谓的 非稳定 并不是指排序算法本身不稳定，而是指在排序过程中对相等元素的处理方式。在 稳定 排序算法里，对相等的元素，不会对其进行重新排序。而在 不稳定 的算法里则不保证这点。

总体而言，非稳定 排序的算法的速度会优于 稳定 排序算法，同时，稳定 排序还会额外分配原数组一半的空间。

9.1 整数数组的排序

以下是对整数列进行排序的例子。

fn main() {
    let mut vec = vec![1, 5, 10, 2, 15];    
    vec.sort_unstable();    
    assert_eq!(vec, vec![1, 2, 5, 10, 15]);
}

9.2 浮点数数组的排序

我们尝试使用上面的方法来对浮点数进行排序：

fn main() {
    let mut vec = vec![1.0, 5.6, 10.3, 2.0, 15f32];    
    vec.sort_unstable();    
    assert_eq!(vec, vec![1.0, 2.0, 5.6, 10.3, 15f32]);
}

结果，居然报错了，

error[E0277]: the trait bound `f32: Ord` is not satisfied
    --> src/main.rs:29:13
     |
29   |         vec.sort_unstable();
     |             ^^^^^^^^^^^^^ the trait `Ord` is not implemented for `f32`
     |
     = help: the following other types implement trait `Ord`:
               i128
               i16
               i32
               i64
               i8
               isize
               u128
               u16
             and 4 others
note: required by a bound in `core::slice::<impl [T]>::sort_unstable`
    --> /home/keijack/.rustup/toolchains/stable-x86_64-unknown-linux-gnu/lib/rustlib/src/rust/library/core/src/slice/mod.rs:2635:12
     |
2635 |         T: Ord,
     |            ^^^ required by this bound in `core::slice::<impl [T]>::sort_unstable`

For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.

原来，在浮点数当中，存在一个 NAN 的值，这个值无法与其他的浮点数进行对比，因此，浮点数类型并没有实现全数值可比较 Ord 的特性，而是实现了部分可比较的特性 PartialOrd。

如此，如果我们确定在我们的浮点数数组当中，不包含 NAN 值，那么我们可以使用 partial_cmp 来作为大小判断的依据。

fn main() {
    let mut vec = vec![1.0, 5.6, 10.3, 2.0, 15f32];    
    vec.sort_unstable_by(|a, b| a.partial_cmp(b).unwrap());    
    assert_eq!(vec, vec![1.0, 2.0, 5.6, 10.3, 15f32]);
}

OK，现在可以正确执行了。

9.3 对结构体数组进行排序

有了上述浮点数排序的经验，我们推而广之，那么对结构体是否也可以使用这种自定义对比函数的方式来进行呢？马上来试一下：

#[derive(Debug)]
struct Person {
    name: String,
    age: u32,
}

impl Person {
    fn new(name: String, age: u32) -> Person {
        Person { name, age }
    }
}

fn main() {
    let mut people = vec![
        Person::new("Zoe".to_string(), 25),
        Person::new("Al".to_string(), 60),
        Person::new("John".to_string(), 1),
    ];
    // 定义一个按照年龄倒序排序的对比函数
    people.sort_unstable_by(|a, b| b.age.cmp(&a.age));

    println!("{:?}", people);
}

执行后输出：

[Person { name: "Al", age: 60 }, Person { name: "Zoe", age: 25 }, Person { name: "John", age: 1 }]

结果正确。

从上面我们学习过程当中，排序需要我们实现 Ord 特性，那么如果我们把我们的结构体实现了该特性，是否就不需要我们自定义对比函数了呢？

是，但不完全是，实现 Ord 需要我们实现 Ord、Eq、PartialEq、PartialOrd 这些属性。好消息是，你可以 derive 这些属性：

#[derive(Debug, Ord, Eq, PartialEq, PartialOrd)]
struct Person {
    name: String,
    age: u32,
}

impl Person {
    fn new(name: String, age: u32) -> Person {
        Person { name, age }
    }
}

fn main() {
    let mut people = vec![
        Person::new("Zoe".to_string(), 25),
        Person::new("Al".to_string(), 60),
        Person::new("Al".to_string(), 30),
        Person::new("John".to_string(), 1),
        Person::new("John".to_string(), 25),
    ];

    people.sort_unstable();

    println!("{:?}", people);
}

执行输出

[Person { name: "Al", age: 30 }, Person { name: "Al", age: 60 }, Person { name: "John", age: 1 }, Person { name: "John", age: 25 }, Person { name: "Zoe", age: 25 }]

需要 derive Ord 相关特性，需要确保你的结构体中所有的属性均实现了 Ord 相关特性，否则会发生编译错误。derive 的默认实现会依据属性的顺序依次进行比较，如上述例子中，当 Person 的 name 值相同，则会使用 age 进行比较。