Rust专项——集合与迭代器基础：Vec、HashMap、HashSet 详解
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本章系统讲解 Rust 标准库中的集合（Collections）与迭代器（Iterator）。集合是存储多个值的容器；迭代器提供统一、零成本的遍历方式，是 Rust 函数式编程与高性能代码的核心。
1. Vec：动态数组详解
1.1 创建与初始化
let mut v1: Vec<i32> = Vec::new(); // 空向量
let v2 = vec![1, 2, 3]; // 宏初始化
let v3 = Vec::with_capacity(10); // 预分配容量
// 填充方式
v1.push(10);
v1.extend_from_slice(&[20, 30]);
v1.insert(1, 15); // 在索引1插入15
1.2 访问与修改
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
// 安全访问
if let Some(val) = v.get(2) { // 返回 Option<&T>
println!("{}", val);
}
// 直接索引（越界会panic）
let third = v[2]; // 3
// 可变借用
if let Some(val) = v.get_mut(2) {
*val = 99;
}
// 删除
v.remove(1); // 删除索引1，后续元素前移
v.pop(); // 删除最后一个
v.clear(); // 清空所有元素
1.3 容量管理
let mut v = Vec::with_capacity(5);
println!("容量: {}, 长度: {}", v.capacity(), v.len()); // 5, 0
v.push(1); v.push(2);
v.shrink_to_fit(); // 缩减到刚好容纳当前元素
2. HashMap<K, V>：键值对映射
2.1 创建与插入
use std::collections::HashMap;
let mut map = HashMap::new();
map.insert("alice".to_string(), 100);
map.insert("bob".to_string(), 200);
// 批量插入
let pairs = vec![("charlie", 300), ("david", 400)];
for (k, v) in pairs {
map.insert(k.to_string(), v);
}
// 或使用迭代器
let map2: HashMap<_, _> = pairs.into_iter().map(|(k, v)| (k.to_string(), v)).collect();
2.2 查询与更新
// 查询（返回 Option）
if let Some(score) = map.get("alice") {
println!("{}", score);
}
// 不存在时插入默认值
let score = map.entry("eve".to_string()).or_insert(0);
*score += 50;
// 更新现有值
map.entry("alice".to_string()).and_modify(|v| *v += 10);
// 移除
map.remove("bob");
2.3 遍历
for (k, v) in &map {
println!("{}: {}", k, v);
}
for k in map.keys() {
println!("key: {}", k);
}
for v in map.values() {
println!("value: {}", v);
}
3. HashSet：无序集合（去重）
3.1 基本操作
use std::collections::HashSet;
let mut set = HashSet::new();
set.insert(1);
set.insert(2);
set.insert(2); // 重复，不会插入
println!("{}", set.contains(&1)); // true
println!("{}", set.len()); // 2
set.remove(&1);
3.2 集合运算
let a: HashSet<_> = [1, 2, 3].iter().cloned().collect();
let b: HashSet<_> = [2, 3, 4].iter().cloned().collect();
// 交集
let inter: HashSet<_> = a.intersection(&b).cloned().collect();
println!("{:?}", inter); // {2, 3}
// 并集
let union: HashSet<_> = a.union(&b).cloned().collect();
// 差集
let diff: HashSet<_> = a.difference(&b).cloned().collect();
// 对称差集
let sym_diff: HashSet<_> = a.symmetric_difference(&b).cloned().collect();
4. 迭代器 Iterator：零成本抽象
4.1 基础概念
- 迭代器提供统一的遍历方式，惰性求值（只在消费时才执行），零成本抽象（编译期优化为类似手写循环的性能）。
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
// 显式迭代
let mut iter = v.iter();
while let Some(val) = iter.next() {
println!("{}", val);
}
// for 循环（自动使用迭代器）
for val in &v {
println!("{}", val);
}
}
4.2 适配器链（链式调用）
let sum: i32 = (1..=10)
.map(|x| x * 2) // 映射：每个元素乘以2
.filter(|x| x % 3 == 0) // 过滤：只保留能被3整除的
.sum(); // 求和
println!("{}", sum); // 24
// 更多适配器
let doubled: Vec<i32> = vec![1, 2, 3].iter().map(|x| x * 2).collect();
let evens: Vec<_> = (1..10).filter(|x| x % 2 == 0).collect();
let first_5: Vec<_> = (1..).take(5).collect();
let skipped: Vec<_> = (1..10).skip(3).collect();
4.3 消费器（Consumers）
use std::collections::HashMap; // 导入HashMap
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let sum: i32 = v.iter().sum(); // 求和
// 修复：product需要指定初始值类型，使用fold替代更直观
let product: i32 = v.iter().fold(1, |acc, &x| acc * x); // 求积
let max = v.iter().max(); // 最大值
let min = v.iter().min(); // 最小值
let count = v.iter().count(); // 计数
let any_greater_than_3 = v.iter().any(|x| *x > 3); // 是否存在满足条件的
let all_positive = v.iter().all(|x| *x > 0); // 是否全部满足条件
// find：找到第一个满足条件的元素
if let Some(val) = v.iter().find(|x| **x > 3) {
println!("第一个大于3的元素: {}", val);
}
// collect：收集到集合
let doubled: Vec<i32> = v.iter().map(|x| x * 2).collect();
let map: HashMap<_, _> = v.iter().map(|x| (x, x * 2)).collect();
// 打印结果验证
println!("求和: {}", sum);
println!("求积: {}", product);
println!("最大值: {:?}", max);
println!("最小值: {:?}", min);
println!("元素数量: {}", count);
println!("存在大于3的元素: {}", any_greater_than_3);
println!("所有元素都是正数: {}", all_positive);
println!("每个元素乘以2: {:?}", doubled);
println!("映射集合: {:?}", map);
}
4.4 常用迭代器适配器速查
| 方法 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
map |
转换每个元素 | `iter.map( |
filter |
过滤元素 | `iter.filter( |
take |
取前n个 | iter.take(5) |
skip |
跳过前n个 | iter.skip(3) |
enumerate |
带索引 | iter.enumerate() |
zip |
组合两个迭代器 | iter1.zip(iter2) |
chain |
连接两个迭代器 | iter1.chain(iter2) |
fold |
累积计算 | iter.fold(0, |acc, x| acc + x) |
reduce |
归约（首元素为初始值） | iter.reduce(|acc, x| acc + x) |
flat_map |
扁平化映射 | iter.flat_map(|x| x.iter()) |
5. 自定义迭代器
实现 Iterator trait：
struct Counter { current: usize, max: usize }
impl Iterator for Counter {
type Item = usize;
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
if self.current < self.max {
self.current += 1;
Some(self.current - 1)
} else {
None
}
}
}
fn main() {
let counter = Counter { current: 0, max: 5 };
for val in counter {
println!("{}", val); // 0, 1, 2, 3, 4
}
}
6. 性能与最佳实践
6.1 Vec 性能提示
- 预分配容量：
Vec::with_capacity(n)避免频繁重分配 - 批量操作：
extend_from_slice比多次push更快 - 迭代而非索引：
for item in &vec比for i in 0..vec.len()更快且更安全
6.2 HashMap 性能提示
- 预分配容量：
HashMap::with_capacity(n)减少重哈希 - 合理选择键类型：
Stringvs&str（所有权 vs 借用） - 使用
entryAPI：避免先查询再插入的两次查找
6.3 迭代器性能
- 链式调用零开销：编译器会内联优化，性能等同手写循环
- 及早求值：
collect()会触发迭代器链的实际执行 - 避免中间集合：多用
Iterator链，少用中间Vec
7. 常见错误与修复
- ❌ 在遍历时修改集合：
for item in &mut vec { vec.push(42); }→ 借用冲突- 修复：先收集索引，或使用
retain/drain
- 修复：先收集索引，或使用
- ❌
HashMap用&str作为键存储String：类型不匹配- 修复：统一键类型，或使用
Borrowtrait
- 修复：统一键类型，或使用
- ❌ 忘记调用
collect()：迭代器惰性，必须消费才能执行 - ❌ 移动后继续使用：
let iter = vec.into_iter(); println!("{:?}", vec);→ 所有权已转移
8. 实战练习
- 实现一个函数
group_by<T, K, F>(items: Vec<T>, key_fn: F) -> HashMap<K, Vec<T>>，按某个函数分组。 - 用迭代器实现：找出两个
Vec的交集、并集、差集。 - 自定义迭代器：实现一个
Range，支持for i in Range::new(1, 10, 2)（步长为2）。 - 性能对比：对比
for循环与迭代器链在处理大数据时的性能差异。
小结：
Vec适合顺序存储与随机访问HashMap适合键值映射与快速查找HashSet适合去重与集合运算- 迭代器提供统一、高效、安全的遍历方式，是 Rust 函数式编程的核心工具
下一节 将深入讲解迭代器的高级用法：
flat_map、fold、自定义迭代器、并行迭代（rayon）等。
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