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如何使用rust實(shí)現(xiàn)簡單的單鏈表_相關(guān)技巧

作者:架構(gòu)小白 ? 更新時(shí)間: 2022-05-21 編程語言

前言

作為初學(xué)者,在掌握了rust的基本語法和所有權(quán)機(jī)制,嘗試寫一下常見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法,目標(biāo)是為了更好的理解rust的所有權(quán)機(jī)制。 受限于個(gè)人目前對rust仍處于入門階段,因此本文代碼實(shí)現(xiàn)不一定是最合適的,甚至可能存在問題。

今天的目標(biāo)是用rust實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的單鏈表LinkedList,同時(shí)為此鏈表提供從頭部插入元素(頭插法)、翻轉(zhuǎn)鏈表、打印鏈表的功能。

1.鏈表節(jié)點(diǎn)的定義

實(shí)現(xiàn)鏈表,首先是實(shí)現(xiàn)鏈表的節(jié)點(diǎn),根據(jù)其他編程語言的經(jīng)驗(yàn),于是用rust首先寫出了下面的鏈表節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義:

代碼片段1:

struct Node {
    data: T,
    next: Option>, // recursive type `Node` has infinite size
}

在代碼片段1中,定義一個(gè)Node結(jié)構(gòu)體,data字段使用了泛型類型T用于鏈表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 next使用了Option枚舉,即如果該節(jié)點(diǎn)沒有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),next是可空的,在rust中沒有其他編程語言中的空值(null, nil),而是提供了Option的解決方案,如果該鏈表節(jié)點(diǎn)的下個(gè)節(jié)點(diǎn)為空,則其next取值為Option::None。

遺憾的是代碼片段1是無法編譯通過的,報(bào)了recursive type ``Node`` has infinite size的編譯錯(cuò)誤。回顧Rust內(nèi)存管理的基礎(chǔ)知識,Rust需要在編譯時(shí)知道一個(gè)類型占用多少空間,Node結(jié)構(gòu)體內(nèi)部嵌套了它自己,這樣在編譯時(shí)就無法確認(rèn)其占用空間大小了。 在Rust中當(dāng)有一個(gè)在編譯時(shí)未知大小的類型,而又想要在需要確切大小的上下文中使用這個(gè)類型值的時(shí)候,可以使用智能指針Box。將next字段的類型修改為Option>>,這樣嵌套的類型為Box,嵌套的Node將會被分配到堆上,next字段在棧上存儲的只是智能指針Box的數(shù)據(jù)(ptr, meta),這樣在編譯時(shí)就能確定Node類型的大小了。將代碼片段1的修改如下:

代碼片段2:

struct Node {
    data: T,
    next: Option>>,
}

修改完成后,可以編譯通過了。根據(jù)next: Option>>,每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)Node將擁有它下一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node的所有權(quán)。

2.鏈表的定義

定義完鏈表之后,下一步再定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體LinkedList用來表示鏈表,將會封裝一些鏈表的基本操作。 結(jié)構(gòu)體中只需方一個(gè)鏈表頭節(jié)點(diǎn)的字段head,類型為Option>>。

代碼片段3:

/// 單鏈表節(jié)點(diǎn)
#[derive(Debug)]
struct Node {
    data: T,
    next: Option>>,
}

/// 單鏈表
#[derive(Debug)]
struct LinkedList {
    head: Option>>,
}

為了便于使用,再給Node和LinkedList這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體各添加一下關(guān)聯(lián)函數(shù)new。

代碼片段4:

impl Node {
? ? fn new(data: T) -> Self {
? ? ? ? Self { data: data, next: None }
? ? }
}

impl LinkedList {
? ? fn new() -> Self {
? ? ? ? Self { head: None }
? ? }
}

Node的new函數(shù)用來使用給定的data數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)孤零零的(沒有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的)節(jié)點(diǎn)。

LinkedList的new函數(shù)用來創(chuàng)建一個(gè)空鏈表。

3.實(shí)現(xiàn)從鏈表頭部插入節(jié)點(diǎn)的prepend方法

前面已經(jīng)完成了鏈表和鏈表節(jié)點(diǎn)的定義,下面我們?yōu)殒湵韺?shí)現(xiàn)了prepend方法,這個(gè)方法將采用頭插法的方式向鏈表中添加節(jié)點(diǎn)。

代碼片段5:

impl LinkedList {
? ? fn new() -> Self {
? ? ? ? Self { head: None }
? ? }

? ? /// 在鏈表頭部插入節(jié)點(diǎn)(頭插法push front)
? ? fn prepend(&mut self, data: T) -> &mut Self {
? ? ? ? // 從傳入數(shù)據(jù)構(gòu)建要插入的節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? let mut new_node = Box::new(Node::new(data));
? ? ? ? match self.head {
? ? ? ? ? ? // 當(dāng)前鏈表為空時(shí), 插入的節(jié)點(diǎn)直接作為頭節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ? ? None => self.head = Some(new_node),
? ? ? ? ? ? // 當(dāng)前鏈表非空時(shí), 插入的節(jié)點(diǎn)作為新的頭節(jié)點(diǎn)插入到原來的頭結(jié)點(diǎn)前面
? ? ? ? ? ? Some(_) => {
? ? ? ? ? ? ? ? // 調(diào)用Option的take方法取出Option中的頭結(jié)點(diǎn)(take的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是mem::replace可避免內(nèi)存拷貝), 作為新插入節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ? ? ? ? new_node.next = self.head.take();
? ? ? ? ? ? ? ? // 將新插入的節(jié)點(diǎn)作為鏈表的頭節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? ? ? ? ? self.head = Some(new_node);
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? }
? ? ? ? self
? ? }
}

fn main() {
? ? let mut ll = LinkedList::new();
? ? ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
? ? print!("{ll:?}"); // LinkedList { head: Some(Node { data: 1, next: Some(Node { data: 2, next: Some(Node { data: 3, next: Some(Node { data: 4, next: Some(Node { data: 5, next: None }) }) }) }) }) }
}

4.為鏈表實(shí)現(xiàn)Display trait定制鏈表的打印顯示

前面我們實(shí)現(xiàn)了鏈表頭部插入節(jié)點(diǎn)的prepend方法,并在main函數(shù)中構(gòu)建了一個(gè)鏈表,以Debug的形式打印出了鏈表的信息。

為了使打印信息更好看,我們決定為LinkedList實(shí)現(xiàn)Display trait,使鏈表打印的格式類似為1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None。

代碼片段6:

use std::fmt::Display;

......

impl Display for LinkedList {
? ? fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
? ? ? ? if self.head.is_none() {
? ? ? ? ? ? // 如果鏈表為空, 只打印None
? ? ? ? ? ? write!(f, "None\n")?;
? ? ? ? } else {
? ? ? ? ? ? // 下面將遍歷鏈表, 因?yàn)橹皇谴蛴? 能獲取鏈表各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)就行, 所以不需要獲取所有權(quán)
? ? ? ? ? ? let mut next = self.head.as_ref();
? ? ? ? ? ? while let Some(node) = next {
? ? ? ? ? ? ? ? write!(f, "{} -> ", node.data)?;
? ? ? ? ? ? ? ? next = node.next.as_ref();
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? write!(f, "None\n")?;
? ? ? ? }
? ? ? ? Ok(())
? ? }
}

fn main() {
? ? let mut ll = LinkedList::new();
? ? ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
? ? print!("{ll}"); // 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None
}

5.為鏈表實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)鏈表功能的reverse方法

代碼片段7:

impl LinkedList {
? ? ......

? ? /// 翻轉(zhuǎn)鏈表
? ? fn reverse(&mut self) {
? ? ? ? let mut prev = None; // 記錄遍歷鏈表時(shí)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
? ? ? ? while let Some(mut node) = self.head.take() {
? ? ? ? ? ? self.head = node.next;
? ? ? ? ? ? node.next = prev;
? ? ? ? ? ? prev = Some(node);
? ? ? ? }
? ? ? ? self.head = prev;
? ? }
}

fn main() {
? ? let mut ll = LinkedList::new();
? ? ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
? ? println!("{ll}"); // 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None
? ? ll.reverse(); // 5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 -> None
? ? println!("{ll}");
}

注意事項(xiàng)

只有一個(gè)可變引用

在C里面,如果要在鏈表的頭部插入元素,可以這樣寫

Node* new_node = create_new_node(v);
new_node->next = head;
head = new_node;

但是在Rust里面你不能這樣做。

在Rust中,常見的指針是Box,和其他對象一樣,Box對象同一時(shí)刻只能有一個(gè)可變引用,而在上面的插入過程中,第2行,有兩個(gè)指針指向同一個(gè)頭結(jié)點(diǎn),這個(gè)在Rust中是有問題的。

那在Rust里面,要實(shí)現(xiàn)在頭部插入的功能,首先得把指針從head里面拿出來,然后再放到新的結(jié)點(diǎn)里面去,而不是直接復(fù)制,這里需要用到Option中的take方法,即把Option中的東西取出來。

總結(jié)

原文鏈接:https://blog.frognew.com/2022/03/rust-algorithm-linked-list.html

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