Rust基础学习-标准库

栈和堆是我们Rust代码在运行时可以使用的内存部分。Rust是一种内存安全的编程语言。为了确保Rust是内存安全的，它引入了所有权、引用和借用等概念。要理解这些概念，我们必须首先了解如何在栈和堆中分配和释放内存。

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栈

栈可以被看作一堆书。当我们添加更多书时，我们把它们放在堆叠的顶部。当我们需要一本书时，我们从顶部拿一本。栈按顺序插入值。它获取它们并以相反的顺序移除值。

添加数据称为入栈，移除数据称为出栈。这种现象在编程中被称为后进先出（LIFO）。存储在栈上的数据在编译时必须具有固定大小。Rust默认为原始类型在栈上分配内存。

让我们通过一个示例来直观地展示如何在栈上分配和释放内存。

fn foo() {
    let y = 999;
    let z = 333;
}

fn main() {
    let x = 111;
    
    foo();
}

• 在上面的例子中，我们首先调用函数main()。 main() 函数有一个变量绑定 x。

• 当 main() 执行时，我们将一个单独的 32 位整数（x）分配给堆栈帧。

Address	Name	Value
0	x	111

在表中，Address列指的是RAM的内存地址。它从0开始，并且到你的计算机拥有多少RAM（字节数）为止。Name列指的是变量，Value列指的是变量的值。

当调用foo()时，将分配一个新的栈帧。foo()函数有两个变量绑定，y 和 z。

Address	Name	Value
2	z	333
1	y	999
0	x	111

• 实际上，计算机在现实中不会使用数字0、1和2来表示地址值。这些地址根据值的不同会相隔几个字节。
• 在 foo() 完成后，其堆栈帧将被释放。

Address	Name	Value
0	x	111

• 最后，main() 完成了，一切都消失了。Rust 自动在堆栈内外分配和释放内存。

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堆

与堆栈相反，大多数时候，我们需要将变量（内存）传递给不同的函数，并使它们的存活时间比单个函数的执行时间更长。这时候我们就可以使用堆了。

我们可以使用 Box<T> 类型在堆上分配内存。例如：

fn main() {
    let x = Box::new(100);
    let y = 222;
    
    println!("x = {}, y = {}", x, y);
}

x = 100, y = 222

Address	Name	Value
1	y	222
0	x	???

和之前一样，我们在堆栈上分配两个变量 x 和 y。但是，当调用 Box::new() 时，x 的值会在堆上分配。因此，x 的实际值是指向堆的指针。这里使用????来表示；

Address	Name	Value
5678		100
...	...	...
1	y	222
0	x	→ 5678

在这里，变量 x 持有一个指向地址→ 5678 的指针，这是用于演示的任意地址。Heap 可以按任意顺序分配和释放。

因此它可能以不同的地址结束。

• 当 x 被释放时，它首先释放在堆上分配的内存。

Address	Name	Value
1	y	222
0	x	???

一旦main()完成，我们释放栈帧，所有东西都会被清空，释放所有内存。我们可以通过转移所有权使内存存活更久，堆可以比分配 Box 的函数存活更长时间。

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栈和堆的区别

Stack	Heap
访问堆栈中的数据更快。	访问堆中的数据速度较慢。
栈上内存管理可预测且简单	堆上内存管理（任意大小）较为复杂。
Rust默认在栈上进行分配	使用Box来分配堆内存。
函数的原始类型和局部变量在栈上分配	动态大小的数据类型，如String、Vec、Box等，在堆上分配。

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Vector

Vector 是一种动态（可调整大小）的数据结构，可以存储相同类型的元素列表。作为一种可调整大小的数据结构，vector可以在运行时增长和收缩。

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创建Vector

let v = vec![1, 2, 3];

• 使用 了vec!宏创建并初始化了一个vector,元素为1,2,3三个整数；
• vec!宏通过给定的初始元素可以自动推断其类型，从而确定vector的类型为Vec<i32>;
• 当然，我们也可以手动显式的指明类型，比如：

let v:Vec<u8> = vec![1,2,3];

打印输出vec中的元素，我们可以使用println!()宏并使用{:?}格式化；

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3, 4];
    println!("{:?}", v);
}

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访问Vector元素

通过索引访问

vector中的每个元素都与一个唯一的数字序列相关联。这个数字被称为向量索引。我们可以使用向量索引访问向量的元素。假设我们有一个颜色向量。

let colors = vec!["blue","red","green"];

我们可以使用它们对应的向量索引来访问单个矢量元素。例如:

colors[0] - 访问索引为 0 的元素（第一个元素）

colors[1] - 访问索引为 1 的元素（第二个元素）

colors[2] - 访问索引为 2 的元素（第三个元素）

fn main() {
    let colors = vec!["blue", "red", "green"];
    
    // method 1: access vector elements using vector index
    println!("first color = {}", colors[0]);
    println!("second color = {}", colors[1]);
    println!("third color = {}", colors[2]);
}

通过get方法访问

还是之前的代码：

let colors = vec!["blue", "red", "green"];

我们可以使用 get() 方法访问该向量的元素。get() 方法不会直接返回向量元素，而是返回一个类型为Option<T>的枚举。结果要么是 Some(T)，要么是 None。

colors.get(0) - 返回索引为 0 的 Some 值
colors.get(1) - 返回索引为 1 的 Some 值
colors.get(2) - 返回索引为 2 的 Some 值
colors.get(3) will return None

fn main() {
    let colors = vec!["blue", "red", "green"];
    
    // method 2: access vector elements using get() method and vector index
    println!("first color = {:?}", colors.get(0));
    println!("second color = {:?}", colors.get(1));
    println!("third color = {:?}", colors.get(2));
}

输出：

first color = Some("blue")

second color = Some("red")

third color = Some("green")

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向Vector中添加元素

我们可以通过在Rust中创建可变向量来向向量添加值。 我们可以在将向量分配给变量之前使用mut关键字使其可变。 例如,

let mut v = vec![2,4,6,8,10];

使用push()方法添加元素；

fn main() {
    let mut number = vec![2, 4, 6, 8, 10];
    println!("{:?}:", number);

    number.push(12);
    number.push(14);

    println!("修改后的vector:{:?}", number);
}

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移除Vector中的元素

我们可以通过将Vector变为可变，并使用remove()方法来从矢量中移除值。例如，

fn main() {
    let mut even_numbers = vec![2, 4, 6, 8, 10];
    
    println!("original vector = {:?}", even_numbers);
    
    // remove value from the vector in its second index
    even_numbers.remove(2);
    
    println!("changed vector = {:?}", even_numbers);
}

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遍历Vector

可以使用for循环来遍历vector中的元素；

fn main() {
    let colors = vec!["blue", "red", "green"];
    
    let mut index = 0;

    for color in colors {
        println!("Index: {} -- Value: {}", index, color);
        index = index + 1;
    }
}

应优先选择 for 循环而不是 [] 运算符来访问向量元素，因为使用 [] 访问会产生运行时成本，需要进行越界检查。

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使用vec::new()创建Vector

let v:Vec<i32>  = Vec::new();

在这里，我们创建一个空的向量来保存 i32 类型的值。

• Vec<i32> - 向量的类型，其中i32是向量中所有元素的数据类型
• Vec::new() - 使用 new() 方法初始化一个空向量

fn main() {
    // vector creation with Vec::new() method
    let mut v: Vec<i32> = Vec::new();

    // push values to a mutable vector
    v.push(10);
    v.push(20);

    println!("v = {:?}", v);
}

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Rust String

Rust中的字符串是以UTF-8编码的Unicode字符序列。

例如，"Rust编程"是一个字符串，其中每个字符都是有效的Unicode字符。即"R"，"u"，"s"，"t"，" "等等。

使用String::from()创建字符串

let word = String::from("Hello, World!");

在这里，我们创建一个新的字符串并将其分配给word变量。我们还提供了"Hello, World!"的默认值。

字符串是在堆内存中分配的，并具有动态（可调整大小）的特性。因此，在编译时大小未知。

fn main() {
    // string creation using String::from() method
    let word = String::from("Hello, World!");

    println!("word = {}", word);
}

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可变字符串

let mut word = String::from("cat");

由于使用了mut关键字，我们可以再次修改字符串

fn main() {
    let mut word = String::from("cat");
    
    println!("original string = {}", word);
    
    word.push_str(" dog");
    
    println!("changed string = {}", word);
}

original string = cat

changed string = cat dog

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字符串切片

我们可以在Rust中对字符串进行切片，以引用字符串的一部分。字符串切片允许我们引用字符串的一部分。例如：

fn main() {
    let w = String::from("Hello Rust!");

    let slice = &w[0..5];

    println!("string = {}", w);

    println!("slice:{}", slice);
}

在这里，&word[0..5] 是对存储在变量 w 中的字符串进行切片的表示法，从起始索引 0（包括）到结束索引 5（不包括）。切片语法中的 &（和）表示这是一个字符串引用，而不是实际数据。

切片也用于访问存储在数组和向量中的数据的部分。

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字符串中的迭代器

我们可以使用字符串类型的chars()方法来迭代字符串。例如，

fn main() {
    let str = String::from("Hello");

    for char in str.chars() {
        println!("{}",char);
    }
}

在这里，我们使用 chars() 方法迭代所有字符并打印每个字符。

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当然，你也可以创建一个空字符串之后再使用push()方法添加元素；

fn main() {
    // create an empty string
    let mut word = String::new();
    
    println!("original string = {}", word);
    
    // append a string to the word variable
    word.push_str("Hello, World!");

    println!("changed string = {}", word);
}

Rust 中的 String 和 str 有什么区别？

在 Rust 中，我们可以将字符串分为两种类型：String 和 str。

String

• 是一种在堆数据结构中分配内存的数据类型。
• 具有固定的大小并且可以修改。
• str
• 是存储在内存中某处的字符串的视图。
• 也称为字符串切片，只能使用指针如 &str 进行处理。

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HashMap

Rust HashMap 数据结构允许我们以键-值对的方式存储数据。以下是 HashMap 的一些特点：

• 每个值都与相应的键相关联。
• 键是唯一的，而值可以重复。
• 可以使用它们对应的键访问值。

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使用

HashMap包含在了conllections标准库中，所以在使用之前需要先导入相关的库，

use std::collections::HashMap;

• 使用new()方法创建一个HashMap;

let mut info:HashMap<i32,String> = HashMap::new();

• 声明一个可变变量 info
• HashMap<i32, String> - HashMap 的类型，其中键是 Integer，值是 String
• HashMap::new() - 创建一个新的 HashMap

同样，也可以使用{:?}宏来打印HashMap的内容；

// import HashMap from Rust standard collections library
use std::collections::HashMap;

fn main() {
    // create a new HashMap
    let mut info: HashMap<i32, String> = HashMap::new();
    
    println!("HashMap = {:?}", info);
}

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HashMap中的一些基本操作

1. 添加元素

使用insert()方法向Map中插入元素：

use std::collections::HashMap;

fn main() {
    let mut fruits: HashMap<i32, String> = HashMap::new();
    
    // add key-value in a hashmap
    fruits.insert(1, String::from("Apple"));
    fruits.insert(2, String::from("Banana"));
    
    println!("fruits = {:?}", fruits);
}

注意，只有变量声明为mut才有可能向HashMap添加新的键值对。

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2. 访问元素

可以使用get()方法访问HashMap中的元素；

use std::collections::HashMap;
fn main() {
    let mut mobile: HashMap<i32, String> = HashMap::new();
    mobile.insert(1, String::from("Apple"));
    mobile.insert(2, String::from("Xiaomi"));
    mobile.insert(3, String::from("Huawei"));

    let first_mobile = mobile.get(&1);
    let second_mobile = mobile.get(&2);
    let third_mobile = mobile.get(&3);
    let third_mobile = fruits.get(&4);

    println!("first  = {:?}", first_mobile);
    println!("second  = {:?}", second_mobile);
    println!("third  = {:?}", third_mobile);
}

• get() 方法的输出是一个 Option 枚举，这意味着如果作为参数传递的键匹配，它将返回一些值；
• 如果不匹配，则返回 None 。
• 在上面的例子中，let third_mobile = fruits.get(&4) 返回 None，因为键 &4没有匹配到哈希映射中的任何内容。

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3. 移除元素

可以使用remove()方法从HashMap中移除元素；

use std::collections::HashMap;

fn main() {
    let mut fruits: HashMap<i32, String> = HashMap::new();
    
    // insert values in a hashmap
    fruits.insert(1, String::from("Apple"));
    fruits.insert(2, String::from("Banana"));
    
    println!("fruits before remove operation = {:?}", fruits);

    // remove value in a hashmap
    fruits.remove(&1);
    
    println!("fruits after remove operation = {:?}", fruits);
}

在这里，我们使用remove()方法从hashmap中删除键为1的元素。

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4. 修改元素

我们可以使用insert()方法对使用了mut声明的可变HashMap进行再次修改；

use std::collections::HashMap;

fn main() {
    let mut fruits: HashMap<i32, String> = HashMap::new();
    
    // insert values in a hashmap
    fruits.insert(1, String::from("Apple"));
    fruits.insert(2, String::from("Banana"));
    
    println!("Before update = {:?}", fruits);
    
    // change value of hashmap with key of 1
    fruits.insert(1, String::from("Mango"));
    
    println!("After update = {:?}", fruits);
}

一个个列举就到这了，下面是一些其他常用方法，请自己多练：

英文版看起更加协调和舒服，原汁原味就不翻译了。

Method	Description
len()	Returns the length of the HashMap.
contains_key()	Checks if a value exists for the specified key.
iter()	Returns an iterator over the entries of a HashMap.
values()	Returns an iterator over the values of a HashMap.
keys()	Returns an iterator over the keys of a HashMap.
clone()	Creates and returns a copy of the HashMap.

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HashSet

HashSet 在 Rust 中实现了集合数据结构。就像集合一样，它允许我们存储没有重复的值。

同样，在使用之前，我们需要导入相对应的依赖:

use std::collections::HashSet;

我们使用use声明导入了HashSet模块。它应该位于程序顶部。现在，我们可以使用HashSet模块的new()方法来创建一个hashset。

let mut color: HashSet<String> = HashSet::new();

let mut color - 声明一个可变变量 color
HashSet<String> - 哈希集的类型，其中值的类型为字符串
HashSet::new() - 创建一个新的哈希集

// import HashSet from Rust standard collections library
use std::collections::HashSet;

fn main() {
    // create a new HashSet
    let mut color: HashSet<String> = HashSet::new();
    
    println!("HashSet = {:?}", color);
}

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基本操作

1. 添加元素

还是可以使用insert()方法来添加元素：

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let mut colors: HashSet<&str> = HashSet::new();
    
    // insert values in a HashSet
    colors.insert("Red");
    colors.insert("Yellow");
    colors.insert("Green");

    println!("colors = {:?}", colors);
}

colors = {"Green", "Yellow", "Red"}

在这里，输出的元素以不同的顺序显示。这是因为 hashset 不保证值的插入顺序，也就是无序的。

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2.在Rust中检查HashSet中是否存在值

我们使用 contains() 方法来检查值是否存在于哈希集中。如果指定的元素存在于哈希集中，则该方法返回 true，否则返回 false。让我们看一个例子，

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let mut colors: HashSet<&str> = HashSet::new();

    colors.insert("Red");
    colors.insert("Yellow");

    println!("colors = {:?}", colors);

    // check for a value in a HashSet
    if colors.contains("Red") {
        println!("We have the color \"Red\" in the HashSet.")
    }
}

colors = {"Red", "Yellow"}

We have the color "Red" in the HashSet.

在上面的示例中，我们使用colors.contains("Red")作为 if 语句的条件。这里，元素 Red 存在于 hashset 中，所以条件为 true。因此，我们获得了期望的输出。

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3. 移除元素

我们可以使用 remove() 方法从 hashset 中移除指定的元素。例如,

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let mut colors: HashSet<&str> = HashSet::new();

    colors.insert("Red");
    colors.insert("Yellow");
    colors.insert("Green");

    println!("colors before remove operation = {:?}", colors);

    // remove value from a HashSet
    colors.remove("Yellow");
    
    println!("colors after remove operation = {:?}", colors);
}

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4. 使用for循环遍历

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let mut colors: HashSet<&str> = HashSet::new();
    
    colors.insert("Red");
    colors.insert("Yellow");
    colors.insert("Green");

    // iterate over a hashset
    for color in colors {
        // print each value in the hashset
        println!("{}", color);
    }
}

在这里，我们迭代名为colors的哈希集，并打印每个元素。

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5.使用初始值值创建HashSet

我们还可以在创建时使用 from() 方法创建一个带有默认值的哈希集。例如，

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    // Create HashSet with default set of values using from() method
    let numbers = HashSet::from([2, 7, 8, 10]);
    
    println!("numbers = {:?}", numbers);
}

在这里，我们使用HashSet::from()方法创建一个带有默认值的哈希集，并将其打印到屏幕上。

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6. 其他方法

Method	Description
len()	returns the length of a hashset
is_empty()	checks if the hashset is empty
clear()	removes all elements from the hashset
drain()	returns all the elements as an iterator and clears the hashset

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7.计算两个集合的并集

我们可以使用 union() 方法来查找两个集合的并集。例如，

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let hashset1 = HashSet::from([2, 7, 8]);
    let hashset2 = HashSet::from([1, 2, 7]);
    
    // Union of hashsets
    let result: HashSet<_> = hashset1.union(&hashset2).collect();
    
    println!("hashset1 = {:?}", hashset1);
    println!("hashset2 = {:?}", hashset2);
    println!("union = {:?}", result);
}

hashset1 = {7, 8, 2}

hashset2 = {2, 7, 1}

union = {2, 7, 8, 1}

union() 方法返回一个迭代器，因此我们使用了collect() 方法来获取实际结果。

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8. 计算交集

我们可以使用 Intersection() 方法来查找两个集合之间的交集。例如，

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let hashset1 = HashSet::from([2, 7, 8]);
    let hashset2 = HashSet::from([1, 2, 7]);
    
    // Intersection of hashsets
    let result: HashSet<_> = hashset1.intersection(&hashset2).collect();
    
    println!("hashset1 = {:?}", hashset1);
    println!("hashset2 = {:?}", hashset2);
    println!("intersection = {:?}", result);
}

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9.Difference()

我们可以使用 Difference() 方法来查找两个集合之间的差异。例如，

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let hashset1 = HashSet::from([1, 2, 3, 4]);
    let hashset2 = HashSet::from([4, 3, 2]);
    
    // Difference between hashsets
    let result: HashSet<_> = hashset1.difference(&hashset2).collect();
    
    println!("hashset1 = {:?}", hashset1);
    println!("hashset2 = {:?}", hashset2);
    println!("difference = {:?}", result);
}

我们可以使用 symmetric_difference() 方法来找到两个集合之间的对称差异。对称差异返回的是两个集合中各自独有的元素，而不包括两个集合共有的元素。

use std::collections::HashSet;

fn main() {
    let hashset1 = HashSet::from([2, 7, 8]);
    let hashset2 = HashSet::from([1, 2, 7, 9]);
    
    // Symmetric difference of hashsets
    let result: HashSet<_> = hashset1.symmetric_difference(&hashset2).collect();
    
    println!("hashset1 = {:?}", hashset1);
    println!("hashset2 = {:?}", hashset2);
    println!("symmetric difference = {:?}", result);
}

hashset1 = {8, 7, 2}

hashset2 = {2, 9, 1, 7}

symmetric difference = {8, 9, 1}