Rust 中的函数式语言功能:迭代器与闭包 - 使用迭代器处理元素序列

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2023-12-01

迭代器模式允许你对一个项的序列进行某些处理。迭代器iterator)负责遍历序列中的每一项和决定序列何时结束的逻辑。当使用迭代器时,我们无需重新实现这些逻辑。

在 Rust 中,迭代器是 惰性的lazy),这意味着直到调用方法消费迭代器之前它都不会有效果。例如,示例 13-13 中的代码通过调用定义于 Vec 上的 iter 方法在一个 vector v1 上创建了一个迭代器。这段代码本身没有任何用处:

示例 13-13:创建一个迭代器

创建迭代器之后,可以选择用多种方式利用它。在示例 3-4 中,我们使用迭代器和 for 循环在每一个项上执行了一些代码,不过直到现在我们掩盖了 iter 调用做了什么。

示例 13-14 中的例子将迭代器的创建和 for 循环中的使用分开。迭代器被储存在 v1_iter 变量中,而这时没有进行迭代。一旦 for 循环开始使用 v1_iter,接着迭代器中的每一个元素被用于循环的一次迭代,这会打印出其每一个值:

  1. let v1 = vec![1, 2, 3];
  2. let v1_iter = v1.iter();
  3. for val in v1_iter {
  4. println!("Got: {}", val);
  5. }

示例 13-14:在一个 for 循环中使用迭代器

在标准库中没有提供迭代器的语言中,我们可能会使用一个从 0 开始的索引变量,使用这个变量索引 vector 中的值,并循环增加其值直到达到 vector 的元素数量。

迭代器为我们处理了所有这些逻辑,这减少了重复代码并潜在的消除了混乱。另外,迭代器的实现方式提供了对多种不同的序列使用相同逻辑的灵活性,而不仅仅是像 vector 这样可索引的数据结构.让我们看看迭代器是如何做到这些的。

迭代器都实现了一个叫做 Iterator 的定义于标准库的 trait。这个 trait 的定义看起来像这样:

  1. trait Iterator {
  2. type Item;
  3. fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
  4. // methods with default implementations elided
  5. }

注意这里有一下我们还未讲到的新语法:type ItemSelf::Item,他们定义了 trait 的 关联类型associated type)。第十九章会深入讲解关联类型,不过现在只需知道这段代码表明实现 Iterator trait 要求同时定义一个 Item 类型,这个 Item 类型被用作 next 方法的返回值类型。换句话说,Item 类型将是迭代器返回元素的类型。

nextIterator 实现者被要求定义的唯一方法。next 一次返回迭代器中的一个项,封装在 Some 中,当迭代器结束时,它返回 None。如果你希望的话可以直接调用迭代器的 next 方法;示例 13-15 有一个测试展示了重复调用由 vector 创建的迭代器的 next 方法所得到的值:

文件名: src/lib.rs

  1. #[test]
  2. fn iterator_demonstration() {
  3. let v1 = vec![1, 2, 3];
  4. let mut v1_iter = v1.iter();
  5. assert_eq!(v1_iter.next(), Some(&1));
  6. assert_eq!(v1_iter.next(), Some(&2));
  7. assert_eq!(v1_iter.next(), Some(&3));
  8. assert_eq!(v1_iter.next(), None);
  9. }

示例 13-15:在迭代器上(直接)调用 next 方法

注意 v1_iter 需要是可变的:在迭代器上调用 next 方法改变了迭代器中用来记录序列位置的状态。换句话说,代码 消费(consume)了,或使用了迭代器。每一个 next 调用都会从迭代器中消费一个项。使用 for 循环时无需使 v1_iter 可变因为 for 循环会获取 v1_iter 的所有权并在后台使 v1_iter 可变。

另外需要注意到从 next 调用中得到的值是 vector 的不可变引用。iter 方法生成一个不可变引用的迭代器。如果我们需要一个获取 v1 所有权并返回拥有所有权的迭代器,则可以调用 into_iter 而不是 iter。类似的,如果我们希望迭代可变引用,则可以调用 iter_mut 而不是 iter

Iterator trait 有一系列不同的由标准库提供默认实现的方法;你可以在 Iterator trait 的标准库 API 文档中找到所有这些方法。一些方法在其定义中调用了 next 方法,这也就是为什么在实现 Iterator trait 时要求实现 next 方法的原因。

这些调用 方法的方法被称为 消费适配器consuming adaptors),因为调用他们会消耗迭代器。一个消费适配器的例子是 sum 方法。这个方法获取迭代器的所有权并反复调用 next 来遍历迭代器,因而会消费迭代器。当其遍历每一个项时,它将每一个项加总到一个总和并在迭代完成时返回总和。示例 13-16 有一个展示 sum 方法使用的测试:

文件名: src/lib.rs

示例 13-16:调用 sum 方法获取迭代器所有项的总和

Iterator trait 中定义了另一类方法,被称为 迭代器适配器iterator adaptors),他们允许我们将当前迭代器变为不同类型的迭代器。可以链式调用多个迭代器适配器。不过因为所有的迭代器都是惰性的,必须调用一个消费适配器方法以便获取迭代器适配器调用的结果。

示例 13-17 展示了一个调用迭代器适配器方法 map 的例子,该 map 方法使用闭包来调用每个元素以生成新的迭代器。 这里的闭包创建了一个新的迭代器,对其中 vector 中的每个元素都被加 1。不过这些代码会产生一个警告:

文件名: src/main.rs

  1. let v1: Vec<i32> = vec![1, 2, 3];
  2. v1.iter().map(|x| x + 1);

示例 13-17:调用迭代器适配器 map 来创建一个新迭代器

得到的警告是:

  1. warning: unused `std::iter::Map` which must be used: iterator adaptors are lazy
  2. and do nothing unless consumed
  3. --> src/main.rs:4:5
  4. |
  5. 4 | v1.iter().map(|x| x + 1);
  6. | ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
  7. |
  8. = note: #[warn(unused_must_use)] on by default

示例 13-17 中的代码实际上并没有做任何事;所指定的闭包从未被调用过。警告提醒了我们为什么:迭代器适配器是惰性的,而这里我们需要消费迭代器。

为了修复这个警告并消费迭代器获取有用的结果,我们将使用第十二章简要讲到的 collect 方法。这个方法消费迭代器并将结果收集到一个数据结构中。

在示例 13-18 中,我们将遍历由 map 调用生成的迭代器的结果收集到一个 vector 中,它将会含有原始 vector 中每个元素加一的结果:

文件名: src/main.rs

  1. let v1: Vec<i32> = vec![1, 2, 3];
  2. let v2: Vec<_> = v1.iter().map(|x| x + 1).collect();
  3. assert_eq!(v2, vec![2, 3, 4]);

示例 13-18:调用 map 方法创建一个新迭代器,接着调用 collect 方法消费新迭代器并创建一个 vector

因为 map 获取一个闭包,可以指定任何希望在遍历的每个元素上执行的操作。这是一个展示如何使用闭包来自定义行为同时又复用 Iterator trait 提供的迭代行为的绝佳例子。

现在我们介绍了迭代器,让我们展示一个通过使用 filter 迭代器适配器和捕获环境的闭包的常规用例。迭代器的 filter 方法获取一个使用迭代器的每一个项并返回布尔值的闭包。如果闭包返回 true,其值将会包含在 filter 提供的新迭代器中。如果闭包返回 false,其值不会包含在结果迭代器中。

示例 13-19 展示了使用 filter 和一个捕获环境中变量 shoe_size 的闭包,这样闭包就可以遍历一个 Shoe 结构体集合以便只返回指定大小的鞋子:

文件名: src/lib.rs

示例 13-19:使用 filter 方法和一个捕获 shoe_size 的闭包

shoes_in_my_size 函数获取一个鞋子 vector 的所有权和一个鞋子大小作为参数。它返回一个只包含指定大小鞋子的 vector。

shoes_in_my_size 函数体中调用了 into_iter 来创建一个获取 vector 所有权的迭代器。接着调用 filter 将这个迭代器适配成只含有闭包返回 true 元素的新迭代器。

闭包从环境中捕获了 shoe_size 变量并使用其值与每一只鞋的大小作比较,只保留指定大小的鞋子。最终,调用 collect 将迭代器适配器返回的值收集进一个 vector 并返回。

这个测试展示当调用 shoes_in_my_size 时,我们只会得到与指定值相同大小的鞋子。

作为展示,让我们创建一个只会从 1 数到 5 的迭代器。首先,创建一个结构体来存放一些值,接着实现 Iterator trait 将这个结构体放入迭代器中并在此实现中使用其值。

示例 13-20 有一个 Counter 结构体定义和一个创建 Counter 实例的关联函数 new

文件名: src/lib.rs

  1. struct Counter {
  2. count: u32,
  3. }
  4. impl Counter {
  5. fn new() -> Counter {
  6. Counter { count: 0 }
  7. }
  8. }

示例 13-20:定义 Counter 结构体和一个创建 count 初值为 0 的 Counter 实例的 new 函数

Counter 结构体有一个字段 count。这个字段存放一个 u32 值,它会记录处理 1 到 5 的迭代过程中的位置。count 是私有的因为我们希望 Counter 的实现来管理这个值。new 函数通过总是从为 0 的 count 字段开始新实例来确保我们需要的行为。

接下来将为 Counter 类型实现 Iterator trait,通过定义 next 方法来指定使用迭代器时的行为,如示例 13-21 所示:

文件名: src/lib.rs

  1. # struct Counter {
  2. # }
  3. #
  4. impl Iterator for Counter {
  5. type Item = u32;
  6. fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
  7. self.count += 1;
  8. Some(self.count)
  9. } else {
  10. None
  11. }
  12. }
  13. }

示例 13-21:在 Counter 结构体上实现 Iterator trait

这里将迭代器的关联类型 Item 设置为 u32,意味着迭代器会返回 u32 值集合。再一次,这里仍无需担心关联类型,第十九章会讲到。

我们希望迭代器对其内部状态加一,这也就是为何将 count 初始化为 0:我们希望迭代器首先返回 1。如果 count 值小于 6,next 会返回封装在 Some 中的当前值,不过如果 count 大于或等于 6,迭代器会返回 None

使用 Counter 迭代器的 next 方法

一旦实现了 Iterator trait,我们就有了一个迭代器!示例 13-22 展示了一个测试用来演示使用 Counter 结构体的迭代器功能,通过直接调用 next 方法,正如示例 13-15 中从 vector 创建的迭代器那样:

文件名: src/lib.rs

  1. # struct Counter {
  2. # count: u32,
  3. # }
  4. #
  5. # impl Iterator for Counter {
  6. # type Item = u32;
  7. #
  8. # fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
  9. # self.count += 1;
  10. #
  11. # if self.count < 6 {
  12. # Some(self.count)
  13. # } else {
  14. # None
  15. # }
  16. # }
  17. # }
  18. #
  19. #[test]
  20. fn calling_next_directly() {
  21. let mut counter = Counter::new();
  22. assert_eq!(counter.next(), Some(1));
  23. assert_eq!(counter.next(), Some(2));
  24. assert_eq!(counter.next(), Some(3));
  25. assert_eq!(counter.next(), Some(4));
  26. assert_eq!(counter.next(), Some(5));
  27. }

示例 13-22:测试 next 方法实现的功能

这个测试在 counter 变量中新建了一个 Counter 实例并接着反复调用 next 方法,来验证我们实现的行为符合这个迭代器返回从 1 到 5 的值的预期。

使用自定义迭代器中其他 Iterator trait 方法

通过定义 next 方法实现 Iterator trait,我们现在就可以使用任何标准库定义的拥有默认实现的 Iterator trait 方法了,因为他们都使用了 next 方法的功能。

例如,出于某种原因我们希望获取 Counter 实例产生的值,将这些值与另一个 Counter 实例在省略了第一个值之后产生的值配对,将每一对值相乘,只保留那些可以被三整除的结果,然后将所有保留的结果相加,这可以如示例 13-23 中的测试这样做:

文件名: src/lib.rs

示例 13-23:使用自定义的 Counter 迭代器的多种方法

注意 zip 只产生四对值;理论上第五对值 (5, None) 从未被产生,因为 zip 在任一输入迭代器返回 None 时也返回 None