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,最常用的数组有两种,第一种是速度很快但是长度固定的 array,第二种是可动态增长的但是有性能损耗的 Vector,在本书中,我们称 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 &strString 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,是固定长度的,这点与其他编程语言不同,其它编程语言的数组往往是可变长度的,与 Rust 中的动态数组 Vector 类似,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 array 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

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,它总是只包含 12 个元素:


#![allow(unused)]
fn main() {
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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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


#![allow(unused)]
fn main() {
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][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
}

与许多语言类似,数组的索引下标是从 0 开始的。此处,first 获取到的值是 9second8

越界访问

如果使用超出数组范围的索引访问数组元素,会怎么样?下面是一个接收用户的控制台输入,然后将其作为索引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。这种检查只能在运行时进行,比如在上面这种情况下,编译器无法在编译期知道用户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部分连续片段,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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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:

  • 切片的长度可以与数组不同,并不是固定的,而是取决于你使用时指定的起始和结束位置
  • 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,它的长度无法在编译期得知,因此不能用[T;n]的形式去描述
  • [u8; 3][u8; 4]是不同的类型,数组的长度也是类型的一部分
  • 在实际开发中,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。

课后练习

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