【譯】Rust中的array、vector和slice

原文連結：https://hashrust.com/blog/arrays-vectors-and-slices-in-rust/
原文標題：Arrays, vectors and slices in Rust
公眾號：Rust 碎碎念
翻譯： Praying

引言（Introduction）

在本文中，我將會介紹 Rust 中的 array、vector 和 slice。有 C 和 C++程式設計經驗的程式設計師應該已經熟悉 array 和 vector，但因 Rust 致力於安全性（safety），所以與不安全的同類語言相比仍有一些區別。另外，slice 是一個全新且非常有用的概念。

Array

Array 是初學者最先接觸的資料型別之一。一個 array 是一組相同型別的資料集合，這些資料位於連續的記憶體塊中。例如，如果你像下面這樣分配一個陣列：

let array: [i32; 4] = [42, 10, 5, 2];

接著，所有的i32整數在棧上緊挨著彼此被分配：

在 Rust 中，array 的大小（size）是型別的一部分。例如，下面的程式碼將無法編譯：

//error:expected an array with a fixed size of 4 elements,
//found one with 3 elements
let array: [i32; 4] = [0, 1, 2];

Rust 的嚴謹性避免了像 C/C++中的陣列到指標的衰變問題：

//C++ code
#include <iostream>

using namespace std;

//Looks can be deceiving: arr is not a pointer
//to an array of 5 integers. It has decayed to
//a pointer to an integer.
void print_array_size(int (*arr)[5]) {
    //prints 8 (the size of a pointer)
    cout << "Array size in print_array_size function: " << sizeof(arr) << endl;
}

int main()
{
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    //prints 20 (size of 5 4-byte integers)
    cout << "Array size in main function: " << sizeof(arr) << endl;
    print_array_size(&arr);
    return 0;
}

print_array_size函式列印出了 8 而不是期望的 20（5 個整數，每個整數 4 位元組），因為arr已經從一個指向包含 5 個整數的陣列（array）的指標衰退為指向一個整數的指標。相似的程式碼在 Rust 中能夠正確執行：

use std::mem::size_of_val;

fn print_array_size(arr: [i32; 5]) {
    //prints 20
    println!("Array size in print_array_size function: {}", size_of_val(&arr));
}

fn main() {
    let arr: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];
    //print 20
    println!("Array size in main function: {}", size_of_val(&arr));
    print_array_size(arr);
}

C/C++和 Rust 在 array 上的另一個區別是，在 Rust 中訪問元素會進行邊界檢查。例如，在下面的 C++程式碼中，我們試圖訪問一個大小為 3 的 array 中的第 5 個元素，這導致了未定義行為^[1]：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    int arr[3] = {1, 2, 3};
    const auto index = 5;
    //arr[index] is undefined behaviour
    cout << "Integer at index " << index << ": " << arr[index] << endl;
    return 0;
}

而類似的程式碼在 Rust 中則會 panic：

fn main() {
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    let index = 5;
    //arr[index] panics with the following message:
    //index out of bounds: the len is 3 but the index is 5
    println!("Integer at index {}: {}", index, arr[index]);
}

你可能想知道，Rust 版本的程式碼怎麼就比 C++版本的程式碼好了？因為 C++版本的程式碼表現出未定義行為，它給了編譯器一個不受限制的許可，允許編譯器以優化的名義來做任何事。在最糟糕的情況下，這可能會把資訊洩露給攻擊者。

與之相對，Rust 版本的程式碼總是會 panic。此外，因為程式由於 panic 而終止，程式設計師更有可能注意並修復這個 bug。相反，C++把問題掩蓋起來並且程式可以像什麼事都沒發生一樣繼續執行。比起 C/C++的未定義行為，我寧願使用 Rust 的 panic。

Vector

Array 最大的一個限制是它的固定大小。與之相對，vector 可以在執行時擴容：

fn main() {
    //There are three elements in the vector initially
    let mut v: Vec<i32> = vec![1, 2, 3];
    //prints 3
    println!("v has {} elements", v.len());
    //but you can add more at runtime
    v.push(4);
    v.push(5);
    //prints 5
    println!("v has {} elements", v.len());
}

Vector 是如何做到在執行時擴容的呢？在其內部，vector 把所有的元素放在一個分配在堆（heap）上的 array 上。當一個新元素被 push 進來時，vector 檢查 array 是否有足夠的剩餘空間。如果空間不足，vector 就分配一個更大的 array，將所有的元素都拷貝到這個新的 array 中，然後釋放舊的 array。這可以在下面的程式碼中驗證：

fn main() {
    let mut v: Vec<i32> = vec![1, 2, 3, 4];
    //prints 4
    println!("v's capacity is {}", v.capacity());
    println!("Address of v's first element: {:p}", &v[0]);//{:p} prints the address
    v.push(5);
    //prints 8
    println!("v's capacity is {}", v.capacity());
    println!("Address of v's first element: {:p}", &v[0]);
}

最開始，v內部的 array 容量（capacity）為 4：

接著，一個新元素被 push 到 vector 中，這使得 vector 把所有元素拷貝到一個新的容量為 8 的內部 array 中：

上面這段程式碼還會列印出，在放入一個元素之前和放入之後，vector 裡的 array 中的第一個元素的地址。這兩個地址會互不相同。地址的變化清楚地證明了其幕後分配了一個容量為 8 的新 array。

如果你在 vector 中 push 進了一個元素但是卻沒有看到不同的地址，這可能是因為原始的 buffer 尾部還有足夠的空間，因此新舊 buffer 擁有相同的起始地址。嘗試 push 更多的元素，你就會看到不同的地址。閱讀 C 的庫函式realloc來理解這是如何運作的。

Slice

Slice 就像一個 array 或 vector 的臨時檢視（temporary views）。例如，如果你有一個 array 如下:

let arr: [i32; 4] = [10, 20, 30, 40];

你可以像下面這樣，建立一個包含第二個和第三個元素的 slice：

let s = &arr[1..3];

[1..3]語法建立一個區間，從索引 1（包含）到 3（不包含）（譯註：即左閉右開）。如果你省略區間的第一個數（[..3]），它會預設從 0 開始，如果你省略最後一個數（[1..]），它會預設為到陣列的長度。如果你列印 slice [1..3]中的元素，你將會得到 20 和 30：

//prints 20
println!("First element in slice: {:}", s[0]);
//prints 30
println!("Second element in slice: {:}", s[1]);

但是如果你嘗試訪問 slice 範圍之外的元素，它會 panic：

//panics: index out of bounds
println!("Third element in slice: {:}", s[2]);

但， slice 是如何知道它只有兩個元素呢？這是因為 slice 不是一個簡單的指向 array 的指標，它還在一個額外的長度欄位中標記了 slice 中的元素數量。

除了指向物件的地址外，還帶有某些額外資料的指標稱為胖指標（fat pointer）。Slice 不是 Rust 中唯一的胖指標型別。還有例如，trait 物件，除了指向物件的指標外，還有一個虛表指標。

例如，你可以建立一個 vector 的 slice：

let v: Vec<i32> = vec![1, 2, 3, 4];
let s = &v[1..3];

除了有一個指標指向v的 buffer 中的第二個元素之外，s還有一個長度為 8 位元組的欄位（length），其值為 2：

長度欄位（length）的存在可以通過下面的程式碼來看到，在這段程式碼中，一個 slice（&[i32]）的大小為 16 位元組（8 位元組為 buffer pointer，8 位元組為長度欄位）：

use std::mem::size_of;

fn main() {
    //prints 8
    println!("Size of a reference to an i32: {:}", size_of::<&i32>());
    //print 16
    println!("Size of a slice: {:}", size_of::<&[i32]>());
}

Array 的 slice 也是類似，但是 buffer pointer 不是指向堆（heap）上的 buffer，而是指向棧（stack）上的 array。

因為 slice 借用自底層的資料結構，所有的常見借用規則都在此適用。例如，下面的程式碼會被編譯器拒絕：

fn main() {
    let mut v: Vec<i32> = vec![1, 2, 3, 4];
    let s = &v[..];
    v.push(5);
    println!("First element in slice: {:}", s[0]);
}

為什麼呢？因為當 slice 被建立時，它指向 vector 內部 buffer 的第一個元素並且當一個新元素被 push 進 vector 時，它（指 vector）會分配一個新的 buffer 並且舊的 buffer 會被釋放。這就導致 slice 指向了一個無效的記憶體地址，如果訪問這個無效地址則會導致未定義行為。Rust 再一次從災難中拯救了你。

因為 array 和 vector 都可以建立 slice，它們（指 slice）是非常強大的抽象。因此，對於函式中的引數，預設的選擇應該是接收一個 slice 而不是一個 array 或 vector。事實上，很多函式，像len、is_empty等，都是作用於 slice 而非 vector 或 array。

總結（Conclusion）

Array 和 vector 作為新手程式設計師學習過程中最先接觸的資料型別之一，Rust 支援它們也不足為奇。但是，正如我們所見，Rust 的安全性保證不允許程式設計師對這些基礎資料型別進行濫用。Slice 是 Rust 中的一個新概念，但是因為它們（指 slice）是這樣一個給力的抽象，你會發現它們在任意的 Rust 程式碼庫裡都被普遍使用。

參考資料

[1]

未定義行為: https://blog.regehr.org/archives/213