字符串

在其他语言中,字符串往往是送分题,因为实在是太简单了,例如 "hello, world" 就是字符串章节的几乎全部内容了,但是如果你带着同样的想法来学 Rust,我保证,绝对会栽跟头,因此这一章大家一定要重视,仔细阅读,这里有很多其它 Rust 书籍中没有的内容

首先来看段很简单的代码:

fn main() {
  let my_name = "Pascal";
  greet(my_name);
}

fn greet(name: String) {
  println!("Hello, {}!", name);
}

greet 函数接受一个字符串类型的 name 参数,然后打印到终端控制台中,非常好理解,你们猜猜,这段代码能否通过编译?

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:3:11
  |
3 |     greet(my_name);
  |           ^^^^^^^
  |           |
  |           expected struct `std::string::String`, found `&str`
  |           help: try using a conversion method: `my_name.to_string()`

error: aborting due to previous error

Bingo,果然报错了,编译器提示 greet 函数需要一个 String 类型的字符串,却传入了一个 &str 类型的字符串,相信读者心中现在一定有几头草泥马呼啸而过,怎么字符串也能整出这么多花活?

在讲解字符串之前,先来看看什么是切片?

切片(slice)

切片并不是 Rust 独有的概念,在 Go 语言中就非常流行,它允许你引用集合中部分连续的元素序列,而不是引用整个集合。

对于字符串而言,切片就是对 String 类型中某一部分的引用,它看起来像这样:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello world");

let hello = &s[0..5];
let world = &s[6..11];
}

hello 没有引用整个 String s,而是引用了 s 的一部分内容,通过 [0..5] 的方式来指定。

这就是创建切片的语法,使用方括号包括的一个序列:[开始索引..终止索引],其中开始索引是切片中第一个元素的索引位置,而终止索引是最后一个元素后面的索引位置,也就是这是一个 右半开区间。在切片数据结构内部会保存开始的位置和切片的长度,其中长度是通过 终止索引 - 开始索引 的方式计算得来的。

对于 let world = &s[6..11]; 来说,world 是一个切片,该切片的指针指向 s 的第 7 个字节(索引从 0 开始, 6 是第 7 个字节),且该切片的长度是 5 个字节。

在使用 Rust 的 .. range 序列语法时,如果你想从索引 0 开始,可以使用如下的方式,这两个是等效的:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let slice = &s[0..2];
let slice = &s[..2];
}

同样的,如果你的切片想要包含 String 的最后一个字节,则可以这样使用:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let len = s.len();

let slice = &s[4..len];
let slice = &s[4..];
}

你也可以截取完整的 String 切片:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let len = s.len();

let slice = &s[0..len];
let slice = &s[..];
}

在对字符串使用切片语法时需要格外小心,切片的索引必须落在字符之间的边界位置,也就是 UTF-8 字符的边界,例如中文在 UTF-8 中占用三个字节,下面的代码就会崩溃:


#![allow(unused)]
fn main() {
 let s = "中国人";
 let a = &s[0..2];
 println!("{}",a);
}

因为我们只取 s 字符串的前两个字节,但是本例中每个汉字占用三个字节,因此没有落在边界处,也就是连 字都取不完整,此时程序会直接崩溃退出,如果改成 &s[0..3],则可以正常通过编译。 因此,当你需要对字符串做切片索引操作时,需要格外小心这一点, 关于该如何操作 UTF-8 字符串,参见这里

字符串切片的类型标识是 &str,因此我们可以这样声明一个函数,输入 String 类型,返回它的切片: fn first_word(s: &String) -> &str

有了切片就可以写出这样的代码:

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s);

    s.clear(); // error!

    println!("the first word is: {}", word);
}
fn first_word(s: &String) -> &str {
    &s[..1]
}

编译器报错如下:

error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
  --> src/main.rs:18:5
   |
16 |     let word = first_word(&s);
   |                           -- immutable borrow occurs here
17 |
18 |     s.clear(); // error!
   |     ^^^^^^^^^ mutable borrow occurs here
19 |
20 |     println!("the first word is: {}", word);
   |                                       ---- immutable borrow later used here

回忆一下借用的规则:当我们已经有了可变借用时,就无法再拥有不可变的借用。因为 clear 需要清空改变 String,因此它需要一个可变借用(利用 VSCode 可以看到该方法的声明是 pub fn clear(&mut self) ,参数是对自身的可变借用 );而之后的 println! 又使用了不可变借用,也就是在 s.clear() 处可变借用与不可变借用试图同时生效,因此编译无法通过。

从上述代码可以看出,Rust 不仅让我们的 API 更加容易使用,而且也在编译期就消除了大量错误!

其它切片

因为切片是对集合的部分引用,因此不仅仅字符串有切片,其它集合类型也有,例如数组:


#![allow(unused)]
fn main() {
let a = [1, 2, 3, 4, 5];

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

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

该数组切片的类型是 &[i32],数组切片和字符串切片的工作方式是一样的,例如持有一个引用指向原始数组的某个元素和长度。

字符串字面量是切片

之前提到过字符串字面量,但是没有提到它的类型:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = "Hello, world!";
}

实际上,s 的类型是 &str,因此你也可以这样声明:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s: &str = "Hello, world!";
}

该切片指向了程序可执行文件中的某个点,这也是为什么字符串字面量是不可变的,因为 &str 是一个不可变引用。

了解完切片,可以进入本节的正题了。

什么是字符串?

顾名思义,字符串是由字符组成的连续集合,但是在上一节中我们提到过,Rust 中的字符是 Unicode 类型,因此每个字符占据 4 个字节内存空间,但是在字符串中不一样,字符串是 UTF-8 编码,也就是字符串中的字符所占的字节数是变化的(1 - 4),这样有助于大幅降低字符串所占用的内存空间。

Rust 在语言级别,只有一种字符串类型: str,它通常是以引用类型出现 &str,也就是上文提到的字符串切片。虽然语言级别只有上述的 str 类型,但是在标准库里,还有多种不同用途的字符串类型,其中使用最广的即是 String 类型。

str 类型是硬编码进可执行文件,也无法被修改,但是 String 则是一个可增长、可改变且具有所有权的 UTF-8 编码字符串,当 Rust 用户提到字符串时,往往指的就是 String 类型和 &str 字符串切片类型,这两个类型都是 UTF-8 编码

除了 String 类型的字符串,Rust 的标准库还提供了其他类型的字符串,例如 OsStringOsStrCsString CsStr 等,注意到这些名字都以 String 或者 Str 结尾了吗?它们分别对应的是具有所有权和被借用的变量。

String 与 &str 的转换

在之前的代码中,已经见到好几种从 &str 类型生成 String 类型的操作:

  • String::from("hello,world")
  • "hello,world".to_string()

那么如何将 String 类型转为 &str 类型呢?答案很简单,取引用即可:

fn main() {
    let s = String::from("hello,world!");
    say_hello(&s);
    say_hello(&s[..]);
    say_hello(s.as_str());
}

fn say_hello(s: &str) {
    println!("{}",s);
}

实际上这种灵活用法是因为 deref 隐式强制转换,具体我们会在 Deref 特征进行详细讲解。

字符串索引

在其它语言中,使用索引的方式访问字符串的某个字符或者子串是很正常的行为,但是在 Rust 中就会报错:


#![allow(unused)]
fn main() {
   let s1 = String::from("hello");
   let h = s1[0];
}

该代码会产生如下错误:

3 |     let h = s1[0];
  |             ^^^^^ `String` cannot be indexed by `{integer}`
  |
  = help: the trait `Index<{integer}>` is not implemented for `String`

深入字符串内部

字符串的底层的数据存储格式实际上是[ u8 ],一个字节数组。对于 let hello = String::from("Hola"); 这行代码来说,Hola 的长度是 4 个字节,因为 "Hola" 中的每个字母在 UTF-8 编码中仅占用 1 个字节,但是对于下面的代码呢?


#![allow(unused)]
fn main() {
let hello = String::from("中国人");
}

如果问你该字符串多长,你可能会说 3,但是实际上是 9 个字节的长度,因为大部分常用汉字在 UTF-8 中的长度是 3 个字节,因此这种情况下对 hello 进行索引,访问 &hello[0] 没有任何意义,因为你取不到 这个字符,而是取到了这个字符三个字节中的第一个字节,这是一个非常奇怪而且难以理解的返回值。

字符串的不同表现形式

现在看一下用梵文写的字符串 “नमस्ते”, 它底层的字节数组如下形式:


#![allow(unused)]
fn main() {
[224, 164, 168, 224, 164, 174, 224, 164, 184, 224, 165, 141, 224, 164, 164,
224, 165, 135]
}

长度是 18 个字节,这也是计算机最终存储该字符串的形式。如果从字符的形式去看,则是:


#![allow(unused)]
fn main() {
['न', 'म', 'स', '्', 'त', 'े']
}

但是这种形式下,第四和六两个字母根本就不存在,没有任何意义,接着再从字母串的形式去看:


#![allow(unused)]
fn main() {
["न", "म", "स्", "ते"]
}

所以,可以看出来 Rust 提供了不同的字符串展现方式,这样程序可以挑选自己想要的方式去使用,而无需去管字符串从人类语言角度看长什么样。

还有一个原因导致了 Rust 不允许去索引字符串:因为索引操作,我们总是期望它的性能表现是 O(1),然而对于 String 类型来说,无法保证这一点,因为 Rust 可能需要从 0 开始去遍历字符串来定位合法的字符。

字符串切片

前文提到过,字符串切片是非常危险的操作,因为切片的索引是通过字节来进行,但是字符串又是 UTF-8 编码,因此你无法保证索引的字节刚好落在字符的边界上,例如:


#![allow(unused)]
fn main() {
let hello = "中国人";

let s = &hello[0..2];
}

运行上面的程序,会直接造成崩溃:

thread 'main' panicked at 'byte index 2 is not a char boundary; it is inside '中' (bytes 0..3) of `中国人`', src/main.rs:4:14
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

这里提示的很清楚,我们索引的字节落在了 字符的内部,这种返回没有任何意义。

因此在通过索引区间来访问字符串时,需要格外的小心,一不注意,就会导致你程序的崩溃!

操作字符串

由于 String 是可变字符串,下面介绍 Rust 字符串的修改,添加,删除等常用方法:

追加 (Push)

在字符串尾部可以使用 push() 方法追加字符 char,也可以使用 push_str() 方法追加字符串字面量。这两个方法都是在原有的字符串上追加,并不会返回新的字符串。由于字符串追加操作要修改原来的字符串,则该字符串必须是可变的,即字符串变量必须由 mut 关键字修饰

示例代码如下:

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello ");
    s.push('r');
    println!("追加字符 push() -> {}", s);

    s.push_str("ust!");
    println!("追加字符串 push_str() -> {}", s);
}

代码运行结果:

追加字符 push() -> Hello r
追加字符串 push_str() -> Hello rust!

插入 (Insert)

可以使用 insert() 方法插入单个字符 char,也可以使用 insert_str() 方法插入字符串字面量,与 push() 方法不同,这俩方法需要传入两个参数,第一个参数是字符(串)插入位置的索引,第二个参数是要插入的字符(串),索引从 0 开始计数,如果越界则会发生错误。由于字符串插入操作要修改原来的字符串,则该字符串必须是可变的,即字符串变量必须由 mut 关键字修饰

示例代码如下:

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello rust!");
    s.insert(5, ',');
    println!("插入字符 insert() -> {}", s);
    s.insert_str(6, " I like");
    println!("插入字符串 insert_str() -> {}", s);
}

代码运行结果:

插入字符 insert() -> Hello, rust!
插入字符串 insert_str() -> Hello, I like rust!

替换 (Replace)

如果想要把字符串中的某个字符串替换成其它的字符串,那可以使用 replace() 方法。与替换有关的方法有三个。

1、replace

该方法可适用于 String&str 类型。replace() 方法接收两个参数,第一个参数是要被替换的字符串,第二个参数是新的字符串。该方法会替换所有匹配到的字符串。该方法是返回一个新的字符串,而不是操作原来的字符串

示例代码如下:

fn main() {
    let string_replace = String::from("I like rust. Learning rust is my favorite!");
    let new_string_replace = string_replace.replace("rust", "RUST");
    dbg!(new_string_replace);
}

代码运行结果:

new_string_replace = "I like RUST. Learning RUST is my favorite!"

2、replacen

该方法可适用于 String&str 类型。replacen() 方法接收三个参数,前两个参数与 replace() 方法一样,第三个参数则表示替换的个数。该方法是返回一个新的字符串,而不是操作原来的字符串

示例代码如下:

fn main() {
    let string_replace = "I like rust. Learning rust is my favorite!";
    let new_string_replacen = string_replace.replacen("rust", "RUST", 1);
    dbg!(new_string_replacen);
}

代码运行结果:

new_string_replacen = "I like RUST. Learning rust is my favorite!"

3、replace_range

该方法仅适用于 String 类型。replace_range 接收两个参数,第一个参数是要替换字符串的范围(Range),第二个参数是新的字符串。该方法是直接操作原来的字符串,不会返回新的字符串。该方法需要使用 mut 关键字修饰

示例代码如下:

fn main() {
    let mut string_replace_range = String::from("I like rust!");
    string_replace_range.replace_range(7..8, "R");
    dbg!(string_replace_range);
}

代码运行结果:

string_replace_range = "I like Rust!"

删除 (Delete)

与字符串删除相关的方法有 4 个,他们分别是 pop()remove()truncate()clear()。这四个方法仅适用于 String 类型。

1、 pop —— 删除并返回字符串的最后一个字符

该方法是直接操作原来的字符串。但是存在返回值,其返回值是一个 Option 类型,如果字符串为空,则返回 None。 示例代码如下:

fn main() {
    let mut string_pop = String::from("rust pop 中文!");
    let p1 = string_pop.pop();
    let p2 = string_pop.pop();
    dbg!(p1);
    dbg!(p2);
    dbg!(string_pop);
}

代码运行结果:

p1 = Some(
   '!',
)
p2 = Some(
   '文',
)
string_pop = "rust pop 中"

2、 remove —— 删除并返回字符串中指定位置的字符

该方法是直接操作原来的字符串。但是存在返回值,其返回值是删除位置的字符串,只接收一个参数,表示该字符起始索引位置。remove() 方法是按照字节来处理字符串的,如果参数所给的位置不是合法的字符边界,则会发生错误。

示例代码如下:

fn main() {
    let mut string_remove = String::from("测试remove方法");
    println!(
        "string_remove 占 {} 个字节",
        std::mem::size_of_val(string_remove.as_str())
    );
    // 删除第一个汉字
    string_remove.remove(0);
    // 下面代码会发生错误
    // string_remove.remove(1);
    // 直接删除第二个汉字
    // string_remove.remove(3);
    dbg!(string_remove);
}

代码运行结果:

string_remove 占 18 个字节
string_remove = "试remove方法"

3、truncate —— 删除字符串中从指定位置开始到结尾的全部字符

该方法是直接操作原来的字符串。无返回值。该方法 truncate() 方法是按照字节来处理字符串的,如果参数所给的位置不是合法的字符边界,则会发生错误。

示例代码如下:

fn main() {
    let mut string_truncate = String::from("测试truncate");
    string_truncate.truncate(3);
    dbg!(string_truncate);
}

代码运行结果:

string_truncate = "测"

4、clear —— 清空字符串

该方法是直接操作原来的字符串。调用后,删除字符串中的所有字符,相当于 truncate() 方法参数为 0 的时候。

示例代码如下:

fn main() {
    let mut string_clear = String::from("string clear");
    string_clear.clear();
    dbg!(string_clear);
}

代码运行结果:

string_clear = ""

连接 (Catenate)

1、使用 + 或者 += 连接字符串

使用 + 或者 += 连接字符串,要求右边的参数必须为字符串的切片引用(Slice)类型。其实当调用 + 的操作符时,相当于调用了 std::string 标准库中的 add() 方法,这里 add() 方法的第二个参数是一个引用的类型。因此我们在使用 +, 必须传递切片引用类型。不能直接传递 String 类型。++= 都是返回一个新的字符串。所以变量声明可以不需要 mut 关键字修饰

示例代码如下:

fn main() {
    let string_append = String::from("hello ");
    let string_rust = String::from("rust");
    // &string_rust会自动解引用为&str
    let result = string_append + &string_rust;
    let mut result = result + "!";
    result += "!!!";

    println!("连接字符串 + -> {}", result);
}

代码运行结果:

连接字符串 + -> hello rust!!!!

add() 方法的定义:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn add(self, s: &str) -> String
}

因为该方法涉及到更复杂的特征功能,因此我们这里简单说明下:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello,");
    let s2 = String::from("world!");
    // 在下句中,s1的所有权被转移走了,因此后面不能再使用s1
    let s3 = s1 + &s2;
    assert_eq!(s3,"hello,world!");
    // 下面的语句如果去掉注释,就会报错
    // println!("{}",s1);
}

selfString 类型的字符串 s1,该函数说明,只能将 &str 类型的字符串切片添加到 String 类型的 s1 上,然后返回一个新的 String 类型,所以 let s3 = s1 + &s2; 就很好解释了,将 String 类型的 s1&str 类型的 s2 进行相加,最终得到 String 类型的 s3

由此可推,以下代码也是合法的:


#![allow(unused)]
fn main() {
let s1 = String::from("tic");
let s2 = String::from("tac");
let s3 = String::from("toe");

// String = String + &str + &str + &str + &str
let s = s1 + "-" + &s2 + "-" + &s3;
}

String + &str返回一个 String,然后再继续跟一个 &str 进行 + 操作,返回一个 String 类型,不断循环,最终生成一个 s,也是 String 类型。

s1 这个变量通过调用 add() 方法后,所有权被转移到 add() 方法里面, add() 方法调用后就被释放了,同时 s1 也被释放了。再使用 s1 就会发生错误。这里涉及到所有权转移(Move)的相关知识。

2、使用 format! 连接字符串

format! 这种方式适用于 String&strformat! 的用法与 print! 的用法类似,详见格式化输出

示例代码如下:

fn main() {
    let s1 = "hello";
    let s2 = String::from("rust");
    let s = format!("{} {}!", s1, s2);
    println!("{}", s);
}

代码运行结果:

hello rust!

字符串转义

我们可以通过转义的方式 \ 输出 ASCII 和 Unicode 字符。

fn main() {
    // 通过 \ + 字符的十六进制表示,转义输出一个字符
    let byte_escape = "I'm writing \x52\x75\x73\x74!";
    println!("What are you doing\x3F (\\x3F means ?) {}", byte_escape);

    // \u 可以输出一个 unicode 字符
    let unicode_codepoint = "\u{211D}";
    let character_name = "\"DOUBLE-STRUCK CAPITAL R\"";

    println!(
        "Unicode character {} (U+211D) is called {}",
        unicode_codepoint, character_name
    );

    // 换行了也会保持之前的字符串格式
    let long_string = "String literals
                        can span multiple lines.
                        The linebreak and indentation here ->\
                        <- can be escaped too!";
    println!("{}", long_string);
}

当然,在某些情况下,可能你会希望保持字符串的原样,不要转义:

fn main() {
    println!("{}", "hello \\x52\\x75\\x73\\x74");
    let raw_str = r"Escapes don't work here: \x3F \u{211D}";
    println!("{}", raw_str);

    // 如果字符串包含双引号,可以在开头和结尾加 #
    let quotes = r#"And then I said: "There is no escape!""#;
    println!("{}", quotes);

    // 如果还是有歧义,可以继续增加,没有限制
    let longer_delimiter = r###"A string with "# in it. And even "##!"###;
    println!("{}", longer_delimiter);
}

操作 UTF-8 字符串

前文提到了几种使用 UTF-8 字符串的方式,下面来一一说明。

字符

如果你想要以 Unicode 字符的方式遍历字符串,最好的办法是使用 chars 方法,例如:


#![allow(unused)]
fn main() {
for c in "中国人".chars() {
    println!("{}", c);
}
}

输出如下

中
国
人

字节

这种方式是返回字符串的底层字节数组表现形式:


#![allow(unused)]
fn main() {
for b in "中国人".bytes() {
    println!("{}", b);
}
}

输出如下:

228
184
173
229
155
189
228
186
186

获取子串

想要准确的从 UTF-8 字符串中获取子串是较为复杂的事情,例如想要从 holla中国人नमस्ते 这种变长的字符串中取出某一个子串,使用标准库你是做不到的。 你需要在 crates.io 上搜索 utf8 来寻找想要的功能。

可以考虑尝试下这个库:utf8_slice

字符串深度剖析

那么问题来了,为啥 String 可变,而字符串字面值 str 却不可以?

就字符串字面值来说,我们在编译时就知道其内容,最终字面值文本被直接硬编码进可执行文件中,这使得字符串字面值快速且高效,这主要得益于字符串字面值的不可变性。不幸的是,我们不能为了获得这种性能,而把每一个在编译时大小未知的文本都放进内存中(你也做不到!),因为有的字符串是在程序运行得过程中动态生成的。

对于 String 类型,为了支持一个可变、可增长的文本片段,需要在堆上分配一块在编译时未知大小的内存来存放内容,这些都是在程序运行时完成的:

  • 首先向操作系统请求内存来存放 String 对象
  • 在使用完成后,将内存释放,归还给操作系统

其中第一部分由 String::from 完成,它创建了一个全新的 String

重点来了,到了第二部分,就是百家齐放的环节,在有垃圾回收 GC 的语言中,GC 来负责标记并清除这些不再使用的内存对象,这个过程都是自动完成,无需开发者关心,非常简单好用;但是在无 GC 的语言中,需要开发者手动去释放这些内存对象,就像创建对象需要通过编写代码来完成一样,未能正确释放对象造成的后果简直不可估量。

对于 Rust 而言,安全和性能是写到骨子里的核心特性,如果使用 GC,那么会牺牲性能;如果使用手动管理内存,那么会牺牲安全,这该怎么办?为此,Rust 的开发者想出了一个无比惊艳的办法:变量在离开作用域后,就自动释放其占用的内存:


#![allow(unused)]
fn main() {
{
    let s = String::from("hello"); // 从此处起,s 是有效的

    // 使用 s
}                                  // 此作用域已结束,
                                   // s 不再有效,内存被释放
}

与其它系统编程语言的 free 函数相同,Rust 也提供了一个释放内存的函数: drop,但是不同的是,其它语言要手动调用 free 来释放每一个变量占用的内存,而 Rust 则在变量离开作用域时,自动调用 drop 函数: 上面代码中,Rust 在结尾的 } 处自动调用 drop

其实,在 C++ 中,也有这种概念: Resource Acquisition Is Initialization (RAII)。如果你使用过 RAII 模式的话应该对 Rust 的 drop 函数并不陌生

这个模式对编写 Rust 代码的方式有着深远的影响,在后面章节我们会进行更深入的介绍。

课后练习


引用资料

  1. https://blog.csdn.net/a1595901624/article/details/119294443