第8章：常见集合¶

Rust 标准库中包含一系列被称为集合（collections）的非常有用的数据结构。大部分其他数据类型都代表一个特定的值，不过集合可以包含多个值。不同于内建的数组和元组类型，这些集合指向的数据是储存在堆上的，这意味着数据的数量不必在编译时就已知，并且还可以随着程序的运行增长或缩小。每种集合都有着不同功能和成本，而根据当前情况选择合适的集合，这是一项应当逐渐掌握的技能。在这一章里，我们将详细的了解三个在 Rust 程序中被广泛使用的集合：

vector 允许我们一个挨着一个地储存一系列数量可变的值
字符串（string）是字符的集合。我们之前见过 String 类型，不过在本章我们将深入了解。
哈希 map（hash map）允许我们将值与一个特定的键（key）相关联。这是一个叫做 map 的更通用的数据结构的特定实现。

对于标准库提供的其他类型的集合，请查看文档。

我们将讨论如何创建和更新 vector、字符串和哈希 map，以及它们有什么特别之处。

1. vector 用来储存一系列的值¶

我们要讲到的第一个类型是 Vec<T>，也被称为 vector。vector 允许我们在一个单独的数据结构中储存多个值，所有值在内存中彼此相邻排列。vector 只能储存相同类型的值。它们在拥有一系列项的场景下非常实用，例如文件中的文本行或购物车中商品的价格。

1.1 新建 vector¶

为了创建一个新的空 vector，可以调用 Vec::new 函数，如示例 8-1 所示：

```rust tietle="示例8-1：新建空的vector存储i32类型的值" let v: Vec = Vec::new();

注意这里我们增加了一个类型标注。因为没有向这个 vector 中插入任何值，Rust 并不知道我们想要储存什么类型的元素。这一点非常重要。vector 是用泛型实现的，第 10 章会涉及到如何对你自己的类型使用它们。现在，我们知道 `Vec` 是一个由标准库提供的类型，它可以存放任何类型，而当 `Vec` 存放某个特定类型时，那个类型位于尖括号中。在示例 8-1 中，我们告诉 Rust `v` 这个 `Vec` 将存放 `i32` 类型的元素。

在更实际的代码中，一旦插入值 Rust 就可以推断出想要存放的类型，所以你很少会需要这些类型标注。更常见的做法是使用初始值来创建一个 `Vec`，而且为了方便 Rust 提供了 `vec!` 宏。这个宏会根据我们提供的值来创建一个新的 `Vec`。示例 8-2 新建一个拥有值 `1`、`2` 和 `3` 的 `Vec<i32>`：

```rust linenums="1" title="示例8-2：包含初始值的vector"
let v = vec![1, 2, 3];

因为我们提供了 i32 类型的初始值，Rust 可以推断出 v 的类型是 Vec<i32>，因此类型标注就不是必须的。接下来让我们看看如何修改一个 vector。

1.2 更新 vector¶

对于新建一个 vector 并向其增加元素，可以使用 push 方法，如示例 8-3 所示：

示例8-3：使用 push 方法向 vector 添加值
let mut v = Vec::new();

v.push(5);
v.push(6);
v.push(7);
v.push(8);

如第 3 章中讨论的任何变量一样，如果想要能够改变它的值，必须使用 mut 关键字使其可变。放入其中的所有值都是 i32 类型的，而且 Rust 也根据数据做出如此判断，所以不需要 Vec<i32> 标注。

1.3 丢弃 vector 时也会丢弃其所有元素¶

类似于任何其他的 struct，vector 在其离开作用域时会被释放，如示例 8-4 所标注的：

示例8-4: vector 在其离开作用域时会被释放，包含的元素也会被清理
{
    let v = vec![1, 2, 3, 4];

    // 处理变量 v

} // <- 这里 v 离开作用域并被丢弃

当 vector 被丢弃时，所有其内容也会被丢弃，这意味着这里它包含的整数将被清理。这可能看起来非常直观，不过一旦开始使用 vector 元素的引用，情况就变得有些复杂了。下面让我们处理这种情况！

1.4 读取 vector 的元素¶

现在你知道如何创建、更新和销毁 vector 了，接下来的一步最好了解一下如何读取它们的内容。有两种方法引用 vector 中储存的值。为了更加清楚的说明这个例子，我们标注这些函数返回的值的类型。

示例 8-5 展示了访问 vector 中一个值的两种方式，索引语法或者 get 方法：

示例8-5: 访问vector中的元素
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];

let third: &i32 = &v[2];
println!("The third element is {}", third);

match v.get(2) {
    Some(third) => println!("The third element is {}", third),
    None => println!("There is no third element."),
}

这里有两个需要注意的地方。首先，我们使用索引值 2 来获取第三个元素，索引是从 0 开始的。其次，这两个不同的获取第三个元素的方式分别为：使用 & 和 [] 返回一个引用；或者使用 get 方法以索引作为参数来返回一个 Option<&T>。

Rust 有两个引用元素的方法的原因是程序可以选择如何处理当索引值在 vector 中没有对应值的情况。作为一个例子，让我们看看如果有一个有五个元素的 vector 接着尝试访问索引为 100 的元素时程序会如何处理，如示例 8-6 所示：

示例8-6: 尝试访问vector中越界的元素
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];

let does_not_exist = &v[100];
let does_not_exist = v.get(100);

当运行这段代码，你会发现对于第一个 [] 方法，当引用一个不存在的元素时 Rust 会造成 panic。这个方法更适合当程序认为尝试访问超过 vector 结尾的元素是一个严重错误的情况，这时应该使程序崩溃。

当 get 方法被传递了一个数组外的索引时，它不会 panic 而是返回 None。当偶尔出现超过 vector 范围的访问属于正常情况的时候可以考虑使用它。接着你的代码可以有处理 Some(&element) 或 None 的逻辑，如第 6 章讨论的那样。例如，索引可能来源于用户输入的数字。如果它们不慎输入了一个过大的数字那么程序就会得到 None 值，你可以告诉用户当前 vector 元素的数量并再请求它们输入一个有效的值。这就比因为输入错误而使程序崩溃要友好的多！

一旦程序获取了一个有效的引用，借用检查器将会执行所有权和借用规则（第 4 章讲到）来确保 vector 内容的这个引用和任何其他引用保持有效。回忆一下不能在相同作用域中同时存在可变和不可变引用的规则。这个规则适用于示例 8-7，当我们获取了 vector 的第一个元素的不可变引用并尝试在 vector 末尾增加一个元素的时候，这是行不通的：

示例8-7: 在拥有 vector 中项的引用同时向其增加一个元素
let mut v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let first = &v[0];

v.push(6);
println!("The first element is: {}", first);

编译会给出这个错误：

error[E0502]: cannot borrow `v` as mutable because it is also borrowed as immutable
 --> src/main.rs:6:5
  |
4 |     let first = &v[0];
  |                  - immutable borrow occurs here
5 |
6 |     v.push(6);
  |     ^^^^^^^^^ mutable borrow occurs here
7 |
8 |     println!("The first element is: {}", first);
  |                                          ----- immutable borrow later used here

示例 8-7 中的代码看起来应该能够运行：为什么第一个元素的引用会关心 vector 结尾的变化？不能这么做的原因是由于 vector 的工作方式：在 vector 的结尾增加新元素时，在没有足够空间将所有所有元素依次相邻存放的情况下，可能会要求分配新内存并将老的元素拷贝到新的空间中。这时，第一个元素的引用就指向了被释放的内存。借用规则阻止程序陷入这种状况。

注意

关于 Vec<T> 类型的更多实现细节，在 https://doc.rust-lang.org/stable/nomicon/vec.html 查看 “The Nomicon”

1.5 遍历 vector 中的元素¶

如果想要依次访问 vector 中的每一个元素，我们可以遍历其所有的元素而无需通过索引一次一个的访问。示例 8-8 展示了如何使用 for 循环来获取 i32 值的 vector 中的每一个元素的不可变引用并将其打印：

示例8-8: 通过for循环遍历vector的元素并打印
let v = vec![100, 32, 57];
for i in &v {
    println!("{}", i);
}

我们也可以遍历可变 vector 的每一个元素的可变引用以便能改变他们。示例 8-9 中的 for 循环会给每一个元素加 50：

示例8-9: 遍历vector中元素的可变引用
let mut v = vec![100, 32, 57];
for i in &mut v {
    *i += 50;
}

为了修改可变引用所指向的值，在使用 += 运算符之前必须使用解引用运算符（*）获取 i 中的值。第 15 章的 “通过解引用运算符追踪指针的值” 部分会详细介绍解引用运算符。

1.6 使用枚举来储存多种类型¶

在本章的开始，我们提到 vector 只能储存相同类型的值。这是很不方便的；绝对会有需要储存一系列不同类型的值的用例。幸运的是，枚举的成员都被定义为相同的枚举类型，所以当需要在 vector 中储存不同类型值时，我们可以定义并使用一个枚举！

例如，假如我们想要从电子表格的一行中获取值，而这一行的有些列包含数字，有些包含浮点值，还有些是字符串。我们可以定义一个枚举，其成员会存放这些不同类型的值，同时所有这些枚举成员都会被当作相同类型，那个枚举的类型。接着可以创建一个储存枚举值的 vector，这样最终就能够储存不同类型的值了。示例 8-10 展示了其用例：

示例8-10: 使用枚举来储存多种类型
enum SpreadsheetCell {
    Int(i32),
    Float(f64),
    Text(String),
}

let row = vec![
    SpreadsheetCell::Int(3),
    SpreadsheetCell::Text(String::from("blue")),
    SpreadsheetCell::Float(10.12),
];

Rust 在编译时就必须准确的知道 vector 中类型的原因在于它需要知道储存每个元素到底需要多少内存。第二个好处是可以准确的知道这个 vector 中允许什么类型。如果 Rust 允许 vector 存放任意类型，那么当对 vector 元素执行操作时一个或多个类型的值就有可能会造成错误。使用枚举外加 match 意味着 Rust 能在编译时就保证总是会处理所有可能的情况，正如第 6 章讲到的那样。

如果在编写程序时不能确切无遗地知道运行时会储存进 vector 的所有类型，枚举技术就行不通了。相反，你可以使用 trait 对象，第 17 章会讲到它。

现在我们了解了一些使用 vector 的最常见的方式，请一定去看看标准库中 Vec 定义的很多其他实用方法的 API 文档。例如，除了 push 之外还有一个 pop 方法，它会移除并返回 vector 的最后一个元素。让我们继续下一个集合类型：String！

2. 使用字符串存储 UTF-8 编码的文本¶

第 4 章已经讲过一些字符串的内容，不过现在让我们更深入地了解它。字符串是新晋 Rustacean 们通常会被困住的领域，这是由于三方面理由的结合：Rust 倾向于确保暴露出可能的错误，字符串是比很多开发者所想象的要更为复杂的数据结构，以及 UTF-8。所有这些要素结合起来对于来自其他语言背景的开发者就可能显得很困难了。

在集合章节中讨论字符串的原因是，字符串就是作为字节的集合外加一些方法实现的，当这些字节被解释为文本时，这些方法提供了实用的功能。在这一部分，我们会讲到 String 中那些任何集合类型都有的操作，比如创建、更新和读取。也会讨论 String 与其他集合不一样的地方，由于人和计算机理解 String 数据方式的不同，String 索引是非常复杂的。

2.1 什么是字符串？¶

在开始深入这些方面之前，我们需要讨论一下术语 字符串 的具体意义。Rust 的核心语言中只有一种字符串类型：str，字符串 slice，它通常以被借用的形式出现，&str。第 4 章讲到了 字符串 slice：它们是一些储存在别处的 UTF-8 编码字符串数据的引用。比如字符串字面量被储存在程序的二进制输出中，字符串 slice 也是如此。

称作 String 的类型是由标准库提供的，而没有写进核心语言部分，它是可增长的、可变的、有所有权的、UTF-8 编码的字符串类型。当 Rustacean 们谈到 Rust 的 “字符串”时，它们通常指的是 String 和字符串 slice &str 类型，而不仅仅是其中之一。虽然本部分内容大多是关于 String ，不过这两个类型在 Rust 标准库中都被广泛使用，String 和字符串 slice 都是 UTF-8 编码。

Rust 标准库中还包含一系列其他字符串类型，比如 OsString、OsStr、CString 和 CStr。相关库 crate 甚至会提供更多储存字符串数据的选择。看到这些由 String 或是 Str 结尾的名字了吗？这对应着它们提供的所有权和可借用的字符串变体，就像是你之前看到的 String 和 str。举例而言，这些字符串类型能够以不同的编码，或者内存表现形式上以不同的形式，来存储文本内容。本章将不会讨论其他这些字符串类型，更多有关如何使用它们以及各自适合的场景，请参见其 API 文档。

2.2 新建字符串¶

很多 Vec 可用的操作在 String 中同样可用，从 new 函数创建字符串开始，如示例 8-11 所示。

示例8-11: 新建一个空的String

let mut s = String::new();

这新建了一个叫做 s 的空的字符串，接着我们可以向其中装载数据。通常字符串会有初始数据，因为我们希望一开始就有这个字符串。为此，可以使用 to_string 方法，它能用于任何实现了 Display trait 的类型，字符串字面量也实现了它。示例 8-12 展示了两个例子。

示例8-12: 使用 to_string 方法从字符串字面量创建 String
let data = "initial contents";

let s = data.to_string();

// 该方法也可直接用于字符串字面量：
let s = "initial contents".to_string();

这些代码会创建包含 initial contents 的字符串。

也可以使用 String::from 函数来从字符串字面量创建 String。示例 8-13 中的代码等同于使用 to_string。

示例8-13: 使用 String::from 函数从字符串字面量创建 String

let s = String::from("initial contents");

因为字符串应用广泛，这里有很多不同的用于字符串的通用 API 可供选择。其中一些可能看起来多余，不过都有其用武之地！在这个例子中，String::from 和 to_string 最终做到了完全相同的事情，所以如何选择，就是风格问题了。

请记住，字符串是 UTF-8 编码的，所以可以包含任何正确编码的数据，如示例 8-14 所示。

示例8-14: 在字符串中储存不同语言的问候语
let hello = String::from("السلام عليكم");
let hello = String::from("Dobrý den");
let hello = String::from("Hello");
let hello = String::from("שָׁלוֹם");
let hello = String::from("नमस्ते");
let hello = String::from("こんにちは");
let hello = String::from("안녕하세요");
let hello = String::from("你好");
let hello = String::from("Olá");
let hello = String::from("Здравствуйте");
let hello = String::from("Hola");

所有这些都是有效的 String 值。

2.3 更新字符串¶

String 的大小可以增加，其内容也可以改变，就像可以放入更多数据来改变 Vec 的内容一样。另外，可以方便的使用 + 运算符或 format! 宏来拼接 String 值。

2.3.1 使用 `push_str` 和 `push` 附加字符串¶

可以通过 push_str 方法来附加字符串 slice，从而使 String 变长，如示例 8-15 所示。

示例8-15: 使用 push_str 方法向 String 添加字符串 slice
let mut s = String::from("foo");
s.push_str("bar");

示例 8-15：使用 push_str 方法向 String 附加字符串 slice

执行这两行代码之后，s 将会包含 foobar。push_str 方法采用字符串 slice，因为我们并不需要获取参数的所有权。例如，示例 8-16 展示了如果将 s2 的内容附加到 s1 之后，自身不能被使用就糟糕了。

let mut s1 = String::from("foo");
let s2 = "bar";
s1.push_str(s2);
println!("s2 is {}", s2);

示例 8-16：将字符串 slice 的内容附加到 String 后使用它

如果 push_str 方法获取了 s2 的所有权，就不能在最后一行打印出其值了。好在代码如我们期望那样工作！

push 方法被定义为获取一个单独的字符作为参数，并附加到 String 中。示例 8-17 展示了使用 push 方法将字母 l 加入 String 的代码。

let mut s = String::from("lo");
s.push('l');

示例 8-17：使用 push 将一个字符加入 String 值中

执行这些代码之后，s 将会包含 lol。

2.3.2 使用 `+` 运算符或 `format!` 宏拼接字符串¶

通常你会希望将两个已知的字符串合并在一起。一种办法是像这样使用 + 运算符，如示例 8-18 所示。

let s1 = String::from("Hello, ");
let s2 = String::from("world!");
let s3 = s1 + &s2; // 注意 s1 被移动了，不能继续使用

示例 8-18：使用 + 运算符将两个 String 值合并到一个新的 String 值中

执行完这些代码之后，字符串 s3 将会包含 Hello, world!。s1 在相加后不再有效的原因，和使用 s2 的引用的原因，与使用 + 运算符时调用的函数签名有关。+ 运算符使用了 add 函数，这个函数签名看起来像这样：

fn add(self, s: &str) -> String {

这并不是标准库中实际的签名；标准库中的 add 使用泛型定义。这里我们看到的 add 的签名使用具体类型代替了泛型，这也正是当使用 String 值调用这个方法会发生的。第 10 章会讨论泛型。这个签名提供了理解 + 运算那微妙部分的线索。

首先，s2 使用了 &，意味着我们使用第二个字符串的引用与第一个字符串相加。这是因为 add 函数的 s 参数：只能将 &str 和 String 相加，不能将两个 String 值相加。不过等一下 —— 正如 add 的第二个参数所指定的，&s2 的类型是 &String 而不是 &str。那么为什么示例 8-18 还能编译呢？

之所以能够在 add 调用中使用 &s2 是因为 &String 可以被强转（coerced）成 &str。当 add 函数被调用时，Rust 使用了一个被称为 解引用强制转换（deref coercion）的技术，你可以将其理解为它把 &s2 变成了 &s2[..]。第 15 章会更深入的讨论解引用强制转换。因为 add 没有获取参数的所有权，所以 s2 在这个操作后仍然是有效的 String。

其次，可以发现签名中 add 获取了 self 的所有权，因为 self 没有使用 &。这意味着示例 8-18 中的 s1 的所有权将被移动到 add 调用中，之后就不再有效。虽然 let s3 = s1 + &s2; 看起来就像它会复制两个字符串并创建一个新的字符串，而实际上这个语句会获取 s1 的所有权，附加上从 s2 中拷贝的内容，并返回结果的所有权。换句话说，它看起来好像生成了很多拷贝，不过实际上并没有：这个实现比拷贝要更高效。

如果想要级联多个字符串，+ 的行为就显得笨重了：

let s1 = String::from("tic");
let s2 = String::from("tac");
let s3 = String::from("toe");

let s = s1 + "-" + &s2 + "-" + &s3;

这时 s 的内容会是 tic-tac-toe。在有这么多 + 和 " 字符的情况下，很难理解具体发生了什么。对于更为复杂的字符串连接，可以使用 format! 宏：

let s1 = String::from("tic");
let s2 = String::from("tac");
let s3 = String::from("toe");

let s = format!("{}-{}-{}", s1, s2, s3);

这些代码也会将 s 设置为 “tic-tac-toe”。format! 与 println! 的工作原理相同，不过不同于将输出打印到屏幕上，它返回一个带有结果内容的 String。这个版本就好理解的多，并且不会获取任何参数的所有权。

2.4 索引字符串¶

在很多语言中，通过索引来引用字符串中的单独字符是有效且常见的操作。然而在 Rust 中，如果你尝试使用索引语法访问 String 的一部分，会出现一个错误。考虑一下如示例 8-19 中所示的无效代码。

let s1 = String::from("hello");
let h = s1[0];

示例 8-19：尝试对字符串使用索引语法

这段代码会导致如下错误：

error[E0277]: the trait bound `std::string::String: std::ops::Index<{integer}>` is not satisfied
 -->
  |
3 |     let h = s1[0];
  |             ^^^^^ the type `std::string::String` cannot be indexed by `{integer}`
  |
  = help: the trait `std::ops::Index<{integer}>` is not implemented for `std::string::String`

错误和提示说明了全部问题：Rust 的字符串不支持索引。那么接下来的问题是，为什么不支持呢？为了回答这个问题，我们必须先聊一聊 Rust 是如何在内存中储存字符串的。

2.4.1 内部表现¶

String 是一个 Vec<u8> 的封装。让我们看看示例 8-14 中一些正确编码的字符串的例子。首先是这一个：

let len = String::from("Hola").len();

在这里，len 的值是 4 ，这意味着储存字符串 “Hola” 的 Vec 的长度是 4 个字节：这里每一个字母的 UTF-8 编码都占用 1 个字节。那下面这个例子又如何呢？（注意这个字符串中的首字母是西里尔字母的 Ze，而不是阿拉伯数字 3 。）

let len = String::from("Здравствуйте").len();

当问及这个字符是多长的时候有人可能会说是 12。然而，Rust 的回答是 24。这是使用 UTF-8 编码 “Здравствуйте” 所需要的字节数，这是因为每个 Unicode 标量值需要 2 个字节存储。因此一个字符串字节值的索引并不总是对应一个有效的 Unicode 标量值。作为演示，考虑如下无效的 Rust 代码：

let hello = "Здравствуйте";
let answer = &hello[0];

answer 的值应该是什么呢？它应该是第一个字符 З 吗？当使用 UTF-8 编码时，З 的第一个字节 208，第二个是 151，所以 answer 实际上应该是 208，不过 208 自身并不是一个有效的字母。返回 208 可不是一个请求字符串第一个字母的人所希望看到的，不过它是 Rust 在字节索引 0 位置所能提供的唯一数据。用户通常不会想要一个字节值被返回，即便这个字符串只有拉丁字母：即便 &"hello"[0] 是返回字节值的有效代码，它也应当返回 104 而不是 h。为了避免返回意外的值并造成不能立刻发现的 bug，Rust 根本不会编译这些代码，并在开发过程中及早杜绝了误会的发生。

2.4.2 字节、标量值和字形簇！天呐！¶

这引起了关于 UTF-8 的另外一个问题：从 Rust 的角度来讲，事实上有三种相关方式可以理解字符串：字节、标量值和字形簇（最接近人们眼中字母的概念）。

比如这个用梵文书写的印度语单词 “नमस्ते”，最终它储存在 vector 中的 u8 值看起来像这样：

[224, 164, 168, 224, 164, 174, 224, 164, 184, 224, 165, 141, 224, 164, 164, 224, 165, 135]

这里有 18 个字节，也就是计算机最终会储存的数据。如果从 Unicode 标量值的角度理解它们，也就像 Rust 的 char 类型那样，这些字节看起来像这样：

['न', 'म', 'स', '्', 'त', 'े']

这里有六个 char，不过第四个和第六个都不是字母，它们是发音符号本身并没有任何意义。最后，如果以字形簇的角度理解，就会得到人们所说的构成这个单词的四个字母：

["न", "म", "स्", "ते"]

Rust 提供了多种不同的方式来解释计算机储存的原始字符串数据，这样程序就可以选择它需要的表现方式，而无所谓是何种人类语言。

最后一个 Rust 不允许使用索引获取 String 字符的原因是，索引操作预期总是需要常数时间 (O(1))。但是对于 String 不可能保证这样的性能，因为 Rust 必须从开头到索引位置遍历来确定有多少有效的字符。

2.5 字符串 slice¶

索引字符串通常是一个坏点子，因为字符串索引应该返回的类型是不明确的：字节值、字符、字形簇或者字符串 slice。因此，如果你真的希望使用索引创建字符串 slice 时，Rust 会要求你更明确一些。为了更明确索引并表明你需要一个字符串 slice，相比使用 [] 和单个值的索引，可以使用 [] 和一个 range 来创建含特定字节的字符串 slice：

let hello = "Здравствуйте";
let s = &hello[0..4];

这里，s 会是一个 &str，它包含字符串的头 4 个字节。早些时候，我们提到了这些字母都是 2 个字节长的，所以这意味着 s 将会是 “Зд”。

如果获取 &hello[0..1] 会发生什么呢？答案是：Rust 在运行时会 panic，就跟访问 vector 中的无效索引时一样：

thread 'main' panicked at 'byte index 1 is not a char boundary; it is inside 'З' (bytes 0..2) of `Здравствуйте`', src/libcore/str/mod.rs:2188:4

你应该小心谨慎的使用这个操作，因为这么做可能会使你的程序崩溃。

2.6 遍历字符串的方法¶

幸运的是，这里还有其他获取字符串元素的方式。

如果你需要操作单独的 Unicode 标量值，最好的选择是使用 chars 方法。对 “नमस्ते” 调用 chars 方法会将其分开并返回六个 char 类型的值，接着就可以遍历其结果来访问每一个元素了：

for c in "नमस्ते".chars() {
    println!("{}", c);
}

这些代码会打印出如下内容：

न
म
स
्
त
े

bytes 方法返回每一个原始字节，这可能会适合你的使用场景：

for b in "नमस्ते".bytes() {
    println!("{}", b);
}

这些代码会打印出组成 String 的 18 个字节：

224
164
// --snip--
165
135

不过请记住有效的 Unicode 标量值可能会由不止一个字节组成。

从字符串中获取字形簇是很复杂的，所以标准库并没有提供这个功能。crates.io 上有些提供这样功能的 crate。

2.7 字符串并不简单¶

总而言之，字符串还是很复杂的。不同的语言选择了不同的向开发者展示其复杂性的方式。Rust 选择了以准确的方式处理 String 数据作为所有 Rust 程序的默认行为，这意味着开发者们必须更多的思考如何预先处理 UTF-8 数据。这种权衡取舍相比其他语言更多的暴露出了字符串的复杂性，不过也使你在开发生命周期后期免于处理涉及非 ASCII 字符的错误。

现在让我们转向一些不太复杂的集合：哈希 map！

3. 哈希 map 储存键值对¶

最后介绍的常用集合类型是 哈希 map（hash map）。HashMap<K, V> 类型储存了一个键类型 K 对应一个值类型 V 的映射。它通过一个 哈希函数（hashing function）来实现映射，决定如何将键和值放入内存中。很多编程语言支持这种数据结构，不过通常有不同的名字：哈希、map、对象、哈希表或者关联数组，仅举几例。

哈希 map 可以用于需要任何类型作为键来寻找数据的情况，而不是像 vector 那样通过索引。例如，在一个游戏中，你可以将每个团队的分数记录到哈希 map 中，其中键是队伍的名字而值是每个队伍的分数。给出一个队名，就能得到他们的得分。

本章我们会介绍哈希 map 的基本 API，不过还有更多吸引人的功能隐藏于标准库在 HashMap<K, V> 上定义的函数中。一如既往请查看标准库文档来了解更多信息。

3.1 新建一个哈希 map¶

可以使用 new 创建一个空的 HashMap，并使用 insert 增加元素。在示例 8-20 中我们记录两支队伍的分数，分别是蓝队和黄队。蓝队开始有 10 分而黄队开始有 50 分：

use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();

scores.insert(String::from("Blue"), 10);
scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

示例 8-20：新建一个哈希 map 并插入一些键值对

注意必须首先 use 标准库中集合部分的 HashMap。在这三个常用集合中，HashMap 是最不常用的，所以并没有被 prelude 自动引用。标准库中对 HashMap 的支持也相对较少，例如，并没有内建的构建宏。

像 vector 一样，哈希 map 将它们的数据储存在堆上，这个 HashMap 的键类型是 String 而值类型是 i32。类似于 vector，哈希 map 是同质的：所有的键必须是相同类型，值也必须都是相同类型。

另一个构建哈希 map 的方法是使用一个元组的 vector 的 collect 方法，其中每个元组包含一个键值对。collect 方法可以将数据收集进一系列的集合类型，包括 HashMap。例如，如果队伍的名字和初始分数分别在两个 vector 中，可以使用 zip 方法来创建一个元组的 vector，其中 “Blue” 与 10 是一对，依此类推。接着就可以使用 collect 方法将这个元组 vector 转换成一个 HashMap，如示例 8-21 所示：

use std::collections::HashMap;

let teams  = vec![String::from("Blue"), String::from("Yellow")];
let initial_scores = vec![10, 50];

let scores: HashMap<_, _> = teams.iter().zip(initial_scores.iter()).collect();

示例 8-21：用队伍列表和分数列表创建哈希 map

这里 HashMap<_, _> 类型标注是必要的，因为 collect 有可能当成多种不同的数据结构，而除非显式指定否则 Rust 无从得知你需要的类型。但是对于键和值的类型参数来说，可以使用下划线占位，而 Rust 能够根据 vector 中数据的类型推断出 HashMap 所包含的类型。

3.2 哈希 map 和所有权¶

对于像 i32 这样的实现了 Copy trait 的类型，其值可以拷贝进哈希 map。对于像 String 这样拥有所有权的值，其值将被移动而哈希 map 会成为这些值的所有者，如示例 8-22 所示：

use std::collections::HashMap;

let field_name = String::from("Favorite color");
let field_value = String::from("Blue");

let mut map = HashMap::new();
map.insert(field_name, field_value);
// 这里 field_name 和 field_value 不再有效，
// 尝试使用它们看看会出现什么编译错误！

示例 8-22：展示一旦键值对被插入后就为哈希 map 所拥有

当 insert 调用将 field_name 和 field_value 移动到哈希 map 中后，将不能使用这两个绑定。

如果将值的引用插入哈希 map，这些值本身将不会被移动进哈希 map。但是这些引用指向的值必须至少在哈希 map 有效时也是有效的。第 10 章 “生命周期与引用有效性” 部分将会更多的讨论这个问题。

3.3 访问哈希 map 中的值¶

可以通过 get 方法并提供对应的键来从哈希 map 中获取值，如示例 8-23 所示：

use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();

scores.insert(String::from("Blue"), 10);
scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

let team_name = String::from("Blue");
let score = scores.get(&team_name);

示例 8-23：访问哈希 map 中储存的蓝队分数

这里，score 是与蓝队分数相关的值，应为 Some(10)。因为 get 返回 Option<V>，所以结果被装进 Some；如果某个键在哈希 map 中没有对应的值，get 会返回 None。这时就要用某种第 6 章提到的方法之一来处理 Option。

可以使用与 vector 类似的方式来遍历哈希 map 中的每一个键值对，也就是 for 循环：

use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();

scores.insert(String::from("Blue"), 10);
scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

for (key, value) in &scores {
    println!("{}: {}", key, value);
}

这会以任意顺序打印出每一个键值对：

Yellow: 50
Blue: 10

3.4 更新哈希 map¶

尽管键值对的数量是可以增长的，不过任何时候，每个键只能关联一个值。当我们想要改变哈希 map 中的数据时，必须决定如何处理一个键已经有值了的情况。可以选择完全无视旧值并用新值代替旧值。可以选择保留旧值而忽略新值，并只在键没有对应值时增加新值。或者可以结合新旧两值。让我们看看这分别该如何处理！

3.4.1 覆盖一个值¶

如果我们插入了一个键值对，接着用相同的键插入一个不同的值，与这个键相关联的旧值将被替换。即便示例 8-24 中的代码调用了两次 insert，哈希 map 也只会包含一个键值对，因为两次都是对蓝队的键插入的值：

use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();

scores.insert(String::from("Blue"), 10);
scores.insert(String::from("Blue"), 25);

println!("{:?}", scores);

示例 8-24：替换以特定键储存的值

这会打印出 {"Blue": 25}。原始的值 10 则被覆盖了。

3.4.2 只在键没有对应值时插入¶

我们经常会检查某个特定的键是否有值，如果没有就插入一个值。为此哈希 map 有一个特有的 API，叫做 entry，它获取我们想要检查的键作为参数。entry 函数的返回值是一个枚举，Entry，它代表了可能存在也可能不存在的值。比如说我们想要检查黄队的键是否关联了一个值。如果没有，就插入值 50，对于蓝队也是如此。使用 entry API 的代码看起来像示例 8-25 这样：

use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();
scores.insert(String::from("Blue"), 10);

scores.entry(String::from("Yellow")).or_insert(50);
scores.entry(String::from("Blue")).or_insert(50);

println!("{:?}", scores);

示例 8-25：使用 entry 方法只在键没有对应一个值时插入

Entry 的 or_insert 方法在键对应的值存在时就返回这个值的可变引用，如果不存在则将参数作为新值插入并返回新值的可变引用。这比编写自己的逻辑要简明的多，另外也与借用检查器结合得更好。

运行示例 8-25 的代码会打印出 {"Yellow": 50, "Blue": 10}。第一个 entry 调用会插入黄队的键和值 50，因为黄队并没有一个值。第二个 entry 调用不会改变哈希 map 因为蓝队已经有了值 10。

3.4.3 根据旧值更新一个值¶

另一个常见的哈希 map 的应用场景是找到一个键对应的值并根据旧的值更新它。例如，示例 8-26 中的代码计数一些文本中每一个单词分别出现了多少次。我们使用哈希 map 以单词作为键并递增其值来记录我们遇到过几次这个单词。如果是第一次看到某个单词，就插入值 0。

示例 8-26：通过哈希 map 储存单词和计数来统计出现次数
use std::collections::HashMap;

let text = "hello world wonderful world";
let mut map = HashMap::new();

for word in text.split_whitespace() {
    let count = map.entry(word).or_insert(0);
    *count += 1;
}

println!("{:?}", map);

这会打印出 {"world": 2, "hello": 1, "wonderful": 1}，or_insert 方法事实上会返回这个键的值的一个可变引用（&mut V）。这里我们将这个可变引用储存在 count 变量中，所以为了赋值必须首先使用星号（*）解引用 count。这个可变引用在 for 循环的结尾离开作用域，这样所有这些改变都是安全的并符合借用规则。

3.5 哈希函数¶

HashMap 默认使用一种 “密码学安全的”（“cryptographically strong” ）1 哈希函数，它可以抵抗拒绝服务（Denial of Service, DoS）攻击。然而这并不是可用的最快的算法，不过为了更高的安全性值得付出一些性能的代价。如果性能监测显示此哈希函数非常慢，以致于你无法接受，你可以指定一个不同的 hasher 来切换为其它函数。hasher 是一个实现了 BuildHasher trait 的类型。第 10 章会讨论 trait 和如何实现它们。你并不需要从头开始实现你自己的 hasher；crates.io 有其他人分享的实现了许多常用哈希算法的 hasher 的库。

4. 总结¶

vector、字符串和哈希 map 会在你的程序需要储存、访问和修改数据时帮助你。这里有一些你应该能够解决的练习问题：

给定一系列数字，使用 vector 并返回这个列表的平均数（mean, average）、中位数（排列数组后位于中间的值）和众数（mode，出现次数最多的值；这里哈希 map 会很有帮助）。
将字符串转换为 Pig Latin，也就是每一个单词的第一个辅音字母被移动到单词的结尾并增加 “ay”，所以 “first” 会变成 “irst-fay”。元音字母开头的单词则在结尾增加 “hay”（“apple” 会变成 “apple-hay”）。牢记 UTF-8 编码！
使用哈希 map 和 vector，创建一个文本接口来允许用户向公司的部门中增加员工的名字。例如，“Add Sally to Engineering” 或 “Add Amir to Sales”。接着让用户获取一个部门的所有员工的列表，或者公司每个部门的所有员工按照字典序排列的列表。

标准库 API 文档中描述的这些类型的方法将有助于你进行这些练习！

我们已经开始接触可能会有失败操作的复杂程序了，这也意味着接下来是一个了解错误处理的绝佳时机！