类型系统中的几个常见 Trait - Cow 及其在 String 和 &str 上的应用
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小牛编辑
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2023-12-01
直译为奶牛!开玩笑。Cow
是一个枚举类型,通过 use std::borrow::Cow;
引入。它的定义是 Clone-on-write
,即写时克隆。本质上是一个智能指针。
它有两个可选值:
Borrowed
,用于包裹对象的引用(通用引用);Owned
,用于包裹对象的所有者;
Cow
提供
- 对此对象的不可变访问(比如可直接调用此对象原有的不可变方法);
- 如果遇到需要修改此对象,或者需要获得此对象的所有权的情况,
Cow
提供方法做克隆处理,并避免多次重复克隆。
Cow
的设计目的是提高性能(减少复制)同时增加灵活性,因为大部分情况下,业务场景都是读多写少。利用 Cow
,可以用统一,规范的形式实现,需要写的时候才做一次对象复制。这样就可能会大大减少复制的次数。
它有以下几个要点需要掌握:
Cow<T>
能直接调用T
的不可变方法,因为Cow
这个枚举,实现了Deref
;- 在需要写
T
的时候,可以使用.to_mut()
方法得到一个具有所有权的值的可变借用;- 注意,调用
.to_mut()
不一定会产生克隆; - 在已经具有所有权的情况下,调用
.to_mut()
有效,但是不会产生新的克隆; - 多次调用
.to_mut()
只会产生一次克隆。
- 注意,调用
- 在需要写
T
的时候,可以使用.into_owned()
创建新的拥有所有权的对象,这个过程往往意味着内存拷贝并创建新对象;- 如果之前
Cow
中的值是借用状态,调用此操作将执行克隆; - 本方法,参数是
self
类型,它会“吃掉”原先的那个对象,调用之后原先的对象的生命周期就截止了,在Cow
上不能调用多次;
- 如果之前
举例
.to_mut()
举例
use std::borrow::Cow;
let mut cow: Cow<[_]> = Cow::Owned(vec![1, 2, 3]);
let hello = cow.to_mut();
assert_eq!(hello, &[1, 2, 3]);
.into_owned()
举例
use std::borrow::Cow;
let cow: Cow<[_]> = Cow::Owned(vec![1, 2, 3]);
let hello = cow.into_owned();
assert_eq!(vec![1, 2, 3], hello);
综合举例
use std::borrow::Cow;
fn abs_all(input: &mut Cow<[i32]>) {
for i in 0..input.len() {
let v = input[i];
if v < 0 {
// clones into a vector the first time (if not already owned)
input.to_mut()[i] = -v;
}
}
}
Cow
在函数返回值上的应用实例
题目:写一个函数,过滤掉输入的字符串中的所有空格字符,并返回过滤后的字符串。
对这个简单的问题,不用思考,我们都可以很快写出代码:
fn remove_spaces(input: &str) -> String {
let mut buf = String::with_capacity(input.len());
for c in input.chars() {
if c != ' ' {
buf.push(c);
}
}
buf
}
设计函数输入参数的时候,我们会停顿一下,这里,用 &str
好呢,还是 String
好呢?思考一番,从性能上考虑,有如下结论:
- 如果使用
String
, 则外部在调用此函数的时候,- 如果外部的字符串是
&str
,那么,它需要做一次克隆,才能调用此函数; - 如果外部的字符串是
String
,那么,它不需要做克隆,就可以调用此函数。但是,一旦调用后,外部那个字符串的所有权就被move
到此函数中了,外部的后续代码将无法再使用原字符串。
- 如果外部的字符串是
- 如果使用
&str
,则不存在上述两个问题。但可能会遇到生命周期的问题,需要注意。
继续分析上面的例子,我们发现,在函数体内,做了一次新字符串对象的生成和拷贝。
让我们来仔细分析一下业务需求。最坏的情况下,如果字符串中没有空白字符,那最好是直接原样返回。这种情况做这样一次对象的拷贝,完全就是浪费了。
于是我们心想改进这个算法。很快,又遇到了另一个问题,返回值是 String
的嘛,我不论怎样,要把 &str
转换成 String
返回,始终都要经历一次复制。于是我们快要放弃了。
好吧,Cow
君这时出马了。奶牛君很快写出了如下代码:
use std::borrow::Cow;
fn remove_spaces<'a>(input: &'a str) -> Cow<'a, str> {
if input.contains(' ') {
let mut buf = String::with_capacity(input.len());
for c in input.chars() {
if c != ' ' {
buf.push(c);
}
}
return Cow::Owned(buf);
}
return Cow::Borrowed(input);
}
完美解决了业务逻辑与返回值类型冲突的问题。本例可细细品味。
外部程序,拿到这个 Cow
返回值后,按照我们上文描述的 Cow
的特性使用就好了。