022 透過連結串列學Rust之為什麼要非安全的單連結串列

linghuyichong發表於2021-06-20
Rust

影片地址：www.bilibili.com/video/av78062009/
相關原始碼：github.com/anonymousGiga/Rust-link...

前面我們都是使用安全的Rust程式設計來實現連結串列，但是實現的時候難度確實比較大。從本節開始，我們開始用非安全程式設計的方式來實現連結串列。

棧和佇列的區別是，棧是先進後出，佇列是先進先出。對應到兩者的push和pop函式，區別如下：

//棧
input list:
[Some(ptr)] -> (A, Some(ptr)) -> (B, None)

stack push X:
[Some(ptr)] -> (X, Some(ptr)) -> (A, Some(ptr)) -> (B, None)

stack pop:
[Some(ptr)] -> (A, Some(ptr)) -> (B, None)


//佇列
input list:
[Some(ptr)] -> (A, Some(ptr)) -> (B, None)

flipped push X:
[Some(ptr)] -> (A, Some(ptr)) -> (B, Some(ptr)) -> (X, None)

flipped pop:
[Some(ptr)] -> (A, Some(ptr)) -> (B, None)

我們發現，當用連結串列分別實現棧和佇列時，pop和push函式可能就需要遍歷。那麼如何來提升效率，減少遍歷呢？答案就是我們分別記錄連結串列的頭和尾。

為了把連結串列的尾部也記錄下來，我們重新定義我們的連結串列，如下：

ub struct List<'a, T> {
    head: Link<T>,
    tail: Option<&'a mut Node<T>>, //自己指向自己，都是可變引用，不允許存在
}

type Link<T> = Option<Box<Node<T>>>;

struct Node<T> {
    elem: T,
    next: Link<T>,
}

impl<'a, T> List<'a, T> {
    pub fn new() -> Self {
        List { head: None, tail: None }    
    }

    pub fn push(&'a mut self, elem: T) {
        let new_tail = Box::new(Node {
            elem: elem,
            next: None, 
        });

        let new_tail = match self.tail.take() {
            Some(old_tail) => {
                old_tail.next = Some(new_tail);
                old_tail.next.as_deref_mut()
            }
            None => {
                self.head = Some(new_tail);
                self.head.as_deref_mut()
            }
        }; 

        self.tail = new_tail;
    }

    pub fn pop(&'a mut self) -> Option<T> {
        self.head.take().map(|head| {
            let head = *head;
            self.head = head.next;

            if self.head.is_none() {
                self.tail = None;
            }

            head.elem
        })
    }
}

當我們把帶有記錄尾部位置的單連結串列實現後，編譯發現是沒有問題的。下面我們來新增測試程式碼：

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::List;

    #[test]
    fn basics() {
        let mut list = List::new();
        assert_eq!(list.pop(), None);
        list.push(1);
        list.push(2);
        list.push(3);
        assert_eq!(list.pop(), Some(1));
        assert_eq!(list.pop(), Some(2));
        list.push(4);
        list.push(5);
        assert_eq!(list.pop(), Some(3));
        assert_eq!(list.pop(), Some(4));
        assert_eq!(list.pop(), Some(5));
        assert_eq!(list.pop(), None);
    }
}

編譯發現報錯，那麼原因是什麼呢？

原來我們在list中，定義的tail，是一個可變的，而定義的list也是可變的，tail又是連結串列的一部分，相當於可變引用指向自己，自己本身又是可變的，相當於多個可變引用指向同一個東西，所以報錯。

按照我們的分析，這個問題似乎誤解，那我們怎麼解決呢？
所以引出unsafe來解決這個問題。

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