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

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。

本作品採用《CC 協議》,轉載必須註明作者和本文連結
令狐一衝

相關文章