集合类型 Collections - 动态数组 Vec

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小牛编辑

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2023-12-01

在第七章我们粗略介绍了一下Vec的用法。实际上，作为Rust中一个非常重要的数据类型，熟练掌握Vec的用法能大大提升我们在Rust世界中的编码能力。

特性及声明方式

和我们之前接触到的Array不同，Vec具有动态的添加和删除元素的能力，并且能够以O(1)的效率进行随机访问。同时，对其尾部进行push或者pop操作的效率也是平摊O(1)的。
同时，有一个非常重要的特性（虽然我们编程的时候大部分都不会考量它）就是，Vec的所有内容项都是生成在堆空间上的，也就是说，你可以轻易的将Vec move出一个栈而不用担心内存拷贝影响执行效率——毕竟只是拷贝的栈上的指针。

另外的就是，Vec<T>中的泛型T必须是Sized的，也就是说必须在编译的时候就知道存一个内容项需要多少内存。对于那些在编译时候未知大小的项（函数类型等），我们可以用Box将其包裹，当成一个指针。

new

我们可以用std::vec::Vec::new()的方式来声明一个Vec。

let mut v1: Vec<i32> = Vec::new();

这里需要注意的是，new函数并没有提供一个能显式规定其泛型类型的参数，也就是说，上面的代码能根据v1的类型自动推导出Vec的泛型;但是，你不能写成如下的形式：

let mut v1 = Vec::new::<i32>();
// 与之对比的,collect函数就能指定：
// let mut v2 = (0i32..5).collect::<Vec<i32>>();

这是因为这两个函数的声明形式以及实现形式，在此，我们不做深究。

宏声明

相比调用new函数，Rust提供了一种更加直观便捷的方式声明一个动态数组： vec! 宏。

let v: Vec<i32> = vec![];
// 以下语句相当于：
// let mut temp = Vec::new();
// temp.push(1);
// temp.push(2);
// temp.push(3);
// let v = temp;
let v = vec![1, 2, 3];
let v = vec![0; 10]; //注意分号，这句话声明了一个 内容为10个0的动态数组

从迭代器生成

因为Vec实现了FromIterator这个trait，因此，借助collect，我们能将任意一个迭代器转换为Vec。

let v: Vec<_> = (1..5).collect();

访问及修改

随机访问

就像数组一样，因为Vec借助Index和IndexMut提供了随机访问的能力，我们通过[index]来对其进行访问，当然，既然存在随机访问就会出现越界的问题。而在Rust中，一旦越界的后果是极其严重的，可以导致Rust当前线程panic。因此，除非你确定自己在干什么或者在for循环中，不然我们不推荐通过下标访问。

以下是例子：

let a = vec![1, 2, 3];
assert_eq!(a[1usize], 2);

那么，Rust中有没有安全的下标访问机制呢？答案是当然有：—— .get(n: usize) （.get_mut(n: usize)）函数。
对于一个数组，这个函数返回一个Option<&T> (Option<&mut T>)，当Option==None的时候，即下标越界，其他情况下，我们能安全的获得一个Vec里面元素的引用。

let v =vec![1, 2, 3];
assert_eq!(v.get(1), Some(&2));
assert_eq!(v.get(3), None);

迭代器

对于一个可变数组，Rust提供了一种简单的遍历形式—— for 循环。
我们可以获得一个数组的引用、可变引用、所有权。

let v = vec![1, 2, 3];
for i in &v { .. } // 获得引用
for i in &mut v { .. } // 获得可变引用
for i in v { .. } // 获得所有权，注意此时Vec的属主将会被转移！！

但是，这么写很容易出现多层for循环嵌套，因此，Vec提供了一个into_iter()方法，能显式地将自己转换成一个迭代器。然而迭代器怎么用呢？我们下一章将会详细说明。

push的效率研究

前面说到，Vec有两个O(1)的方法，分别是pop和push，它们分别代表着将数据从尾部弹出或者装入。理论上来说，因为Vec是支持随机访问的，因此push效率应该是一致的。但是实际上，因为Vec的内部存在着内存拷贝和销毁，因此，如果你想要将一个数组，从零个元素开始，一个一个的填充直到最后生成一个非常巨大的数组的话，预先为其分配内存是一个非常好的办法。

这其中，有个关键的方法是reserve。

如下代码(注意：由于SystemTime API在1.8以后才稳定, 请使用1.8.0 stable 以及以上版本的rustc编译)：

use std::time;
fn push_1m(v: &mut Vec<usize>, total: usize) {
    let e = time::SystemTime::now();
    for i in 1..total {
        v.push(i);
    }
    let ed = time::SystemTime::now();
    println!("time spend: {:?}", ed.duration_since(e).unwrap());
}
fn main() {
    let mut v: Vec<usize> = vec![];
    push_1m(&mut v, 5_000_000);
    let mut v: Vec<usize> = vec![];
    v.reserve(5_000_000);
    push_1m(&mut v, 5_000_000);
}

在笔者自己的笔记本上，编译好了debug的版本，上面的代码跑出了：

➜  debug git:(master) ✗ time ./demo
time spend: Duration { secs: 0, nanos: 368875346 }
time spend: Duration { secs: 0, nanos: 259878787 }
./demo  0.62s user 0.01s system 99% cpu 0.632 total

好像并没有太大差异？然而切换到release版本的时候:

➜  release git:(master) ✗ time ./demo
time spend: Duration { secs: 0, nanos: 53389934 }
time spend: Duration { secs: 0, nanos: 24979520 }
./demo  0.06s user 0.02s system 97% cpu 0.082 total

注意消耗的时间的位数。可见，在去除掉debug版本的调试信息之后，是否预分配内存消耗时间降低了一倍！

这样的成绩，可见，预先分配内存确实有助于提升效率。

有人可能会问了，你这样纠结这点时间，最后不也是节省在纳秒级别的么，有意义么？当然有意义。

第一，纳秒也是时间，这还是因为这个测试的Vec只是最简单的内存结构。一旦涉及到大对象的拷贝，所花费的时间可就不一定这么少了。
第二，频繁的申请和删除堆空间，其内存一旦达到瓶颈的时候你的程序将会异常危险。

更多Vec的操作，请参照标准库的api。