切片类型

切片允许你引用集合中一段连续的元素序列，而不是整个集合。切片是一种引用，因此它不拥有所有权。

这是一个小的编程问题：编写一个函数，该函数接受一个由空格分隔的单词字符串，并返回在该字符串中找到的第一个单词。如果该函数在字符串中没有找到空格，则整个字符串必须是一个单词，因此应返回整个字符串。

让我们逐步了解如何在不使用切片的情况下编写此函数的签名，以理解切片将要解决的问题


fn first_word(s: &String) -> ?

first_word 函数有一个 &String 作为参数。我们不需要所有权，所以这很好。（在符合 Rust 习惯的用法中，函数除非需要，否则不应取得其参数的所有权，原因将在我们继续学习的过程中变得清晰！）但是我们应该返回什么呢？我们实际上没有办法谈论字符串的一部分。但是，我们可以返回单词结尾的索引，用空格表示。让我们尝试一下，如列表 4-7 所示。

文件名：src/main.rs


fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

fn main() {}

列表 4-7：first_word 函数，它返回 String 参数的字节索引值

因为我们需要逐个元素地遍历 String 并检查值是否为空格，所以我们将使用 as_bytes 方法将我们的 String 转换为字节数组。


fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

fn main() {}

接下来，我们使用 iter 方法在字节数组上创建一个迭代器


fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

fn main() {}

我们将在第 13 章中更详细地讨论迭代器。现在，只需知道 iter 是一种方法，它返回集合中的每个元素，而 enumerate 包装 iter 的结果，并将每个元素作为元组的一部分返回。从 enumerate 返回的元组的第一个元素是索引，第二个元素是对元素的引用。这比我们自己计算索引要方便一些。

因为 enumerate 方法返回一个元组，所以我们可以使用模式来解构该元组。我们将在第 6 章中更详细地讨论模式。在 for 循环中，我们指定一个模式，该模式使用 i 表示元组中的索引，使用 &item 表示元组中的单个字节。因为我们从 .iter().enumerate() 获取对元素的引用，所以我们在模式中使用 &。

在 for 循环内部，我们通过使用字节字面量语法搜索表示空格的字节。如果我们找到一个空格，则返回位置。否则，我们通过使用 s.len() 返回字符串的长度。


fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

fn main() {}

现在我们有了一种找出字符串中第一个单词结尾索引的方法，但是存在一个问题。我们单独返回一个 usize，但它仅在 &String 的上下文中才是一个有意义的数字。换句话说，因为它是一个与 String 分离的值，所以无法保证它在将来仍然有效。考虑列表 4-8 中的程序，该程序使用了列表 4-7 中的 first_word 函数。

文件名：src/main.rs


fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s); // word will get the value 5

    s.clear(); // this empties the String, making it equal to ""

    // `word` still has the value `5` here, but `s` no longer has any content
    // that we could meaningfully use with the value `5`, so `word` is now
    // totally invalid!
}

列表 4-8：存储调用 first_word 函数的结果，然后更改 String 内容

此程序编译时不会出现任何错误，并且如果我们在使用 s.clear() 之后使用 word 也会如此。因为 word 与 s 的状态完全无关，所以 word 仍然包含值 5。我们可以使用值 5 和变量 s 来尝试提取第一个单词，但这将是一个错误，因为自我们将 5 保存在 word 中以来，s 的内容已更改。

必须担心 word 中的索引与 s 中的数据失去同步是乏味且容易出错的！如果我们编写 second_word 函数，则管理这些索引将更加脆弱。它的签名必须如下所示


fn second_word(s: &String) -> (usize, usize) {

现在我们正在跟踪一个起始和一个结束索引，并且我们有更多值是从特定状态的数据计算出来的，但与该状态完全无关。我们有三个不相关的变量在周围浮动，需要保持同步。

幸运的是，Rust 为此问题提供了一个解决方案：字符串切片。

字符串切片

字符串切片是对 String 一部分的引用，它看起来像这样


fn main() {
    let s = String::from("hello world");

    let hello = &s[0..5];
    let world = &s[6..11];
}

hello 不是对整个 String 的引用，而是对 String 一部分的引用，该部分在额外的 [0..5] 位中指定。我们通过在方括号内指定范围 [starting_index..ending_index] 来创建切片，其中 starting_index 是切片中的第一个位置，ending_index 比切片中的最后一个位置多一个。在内部，切片数据结构存储切片的起始位置和长度，这对应于 ending_index 减去 starting_index。因此，在 let world = &s[6..11]; 的情况下，world 将是一个切片，其中包含指向 s 的索引 6 处的字节的指针，长度值为 5。

图 4-7 以图表形式显示了这一点。

Three tables: a table representing the stack data of s, which points
to the byte at index 0 in a table of the string data "hello world" on
the heap. The third table rep-resents the stack data of the slice world, which
has a length value of 5 and points to byte 6 of the heap data table.

图 4-7：字符串切片引用 String 的一部分

使用 Rust 的 .. 范围语法，如果想从索引 0 开始，可以省略两个句点之前的值。换句话说，以下是相等的


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let slice = &s[0..2];
let slice = &s[..2];
}

同样，如果你的切片包括 String 的最后一个字节，你可以省略尾部的数字。这意味着以下是相等的


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let len = s.len();

let slice = &s[3..len];
let slice = &s[3..];
}

你也可以省略两个值以获取整个字符串的切片。因此，以下是相等的


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = String::from("hello");

let len = s.len();

let slice = &s[0..len];
let slice = &s[..];
}

注意：字符串切片范围索引必须出现在有效的 UTF-8 字符边界处。如果你尝试在多字节字符的中间创建一个字符串切片，你的程序将以错误退出。为了介绍字符串切片的目的，我们在本节中仅假设使用 ASCII；有关 UTF-8 处理的更详尽讨论在 “使用字符串存储 UTF-8 编码文本”第 8 章的节中。

考虑到所有这些信息，让我们重写 first_word 以返回切片。表示“字符串切片”的类型写为 &str

文件名：src/main.rs


fn first_word(s: &String) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

fn main() {}

我们以与列表 4-7 中相同的方式获取单词结尾的索引，方法是查找空格的第一次出现。当我们找到一个空格时，我们使用字符串的开头和空格的索引作为起始和结束索引返回一个字符串切片。

现在，当我们调用 first_word 时，我们得到一个与底层数据绑定的单个值。该值由对切片起点的引用和切片中元素的数量组成。

返回切片也适用于 second_word 函数


fn second_word(s: &String) -> &str {

现在我们有了一个简单的 API，它更难搞砸，因为编译器将确保对 String 的引用保持有效。还记得列表 4-8 中的程序中的错误吗？当我们获取第一个单词结尾的索引，然后清空字符串，因此我们的索引无效时？该代码在逻辑上是不正确的，但没有显示任何立即的错误。如果我们继续尝试将第一个单词索引与空字符串一起使用，则问题会在以后出现。切片使此错误不可能发生，并让我们更早地知道我们的代码存在问题。使用 first_word 的切片版本将抛出编译时错误

文件名：src/main.rs


fn first_word(s: &String) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s);

    s.clear(); // error!

    println!("the first word is: {word}");
}

这是编译器错误


$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
  --> src/main.rs:18:5
   |
16 |     let word = first_word(&s);
   |                           -- immutable borrow occurs here
17 |
18 |     s.clear(); // error!
   |     ^^^^^^^^^ mutable borrow occurs here
19 |
20 |     println!("the first word is: {word}");
   |                                  ------ immutable borrow later used here

For more information about this error, try `rustc --explain E0502`.
error: could not compile `ownership` (bin "ownership") due to 1 previous error

回想一下借用规则，如果我们对某物有不可变引用，则也不能获取可变引用。因为 clear 需要截断 String，所以它需要获取可变引用。在调用 clear 之后的 println! 中使用了 word 中的引用，因此不可变引用必须在该点仍然处于活动状态。Rust 不允许 clear 中的可变引用和 word 中的不可变引用同时存在，因此编译失败。Rust 不仅使我们的 API 更易于使用，而且还在编译时消除了一整类错误！

作为切片的字符串字面量

回想一下，我们谈到字符串字面量存储在二进制文件中。现在我们了解了切片，我们可以正确理解字符串字面量


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = "Hello, world!";
}

此处 s 的类型为 &str：它是一个指向二进制文件中特定点的切片。这也是字符串字面量不可变的原因；&str 是不可变引用。

作为参数的字符串切片

知道你可以获取字面量和 String 值的切片，这使我们对 first_word 进行了又一项改进，那就是它的签名


fn first_word(s: &String) -> &str {

更有经验的 Rustacean 会编写列表 4-9 中所示的签名，因为它允许我们在 &String 值和 &str 值上使用相同的函数。


fn first_word(s: &str) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

fn main() {
    let my_string = String::from("hello world");

    // `first_word` works on slices of `String`s, whether partial or whole
    let word = first_word(&my_string[0..6]);
    let word = first_word(&my_string[..]);
    // `first_word` also works on references to `String`s, which are equivalent
    // to whole slices of `String`s
    let word = first_word(&my_string);

    let my_string_literal = "hello world";

    // `first_word` works on slices of string literals, whether partial or whole
    let word = first_word(&my_string_literal[0..6]);
    let word = first_word(&my_string_literal[..]);

    // Because string literals *are* string slices already,
    // this works too, without the slice syntax!
    let word = first_word(my_string_literal);
}

列表 4-9：通过为 s 参数的类型使用字符串切片来改进 first_word 函数

如果我们有一个字符串切片，我们可以直接传递它。如果我们有一个 String，我们可以传递 String 的切片或对 String 的引用。这种灵活性利用了解引用强制转换，这是我们将在 “带有函数和方法的隐式解引用强制转换”第 15 章的节中介绍的一项功能。

定义一个函数来接受字符串切片而不是对 String 的引用，这使我们的 API 更加通用和有用，而不会丢失任何功能

文件名：src/main.rs


fn first_word(s: &str) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

fn main() {
    let my_string = String::from("hello world");

    // `first_word` works on slices of `String`s, whether partial or whole
    let word = first_word(&my_string[0..6]);
    let word = first_word(&my_string[..]);
    // `first_word` also works on references to `String`s, which are equivalent
    // to whole slices of `String`s
    let word = first_word(&my_string);

    let my_string_literal = "hello world";

    // `first_word` works on slices of string literals, whether partial or whole
    let word = first_word(&my_string_literal[0..6]);
    let word = first_word(&my_string_literal[..]);

    // Because string literals *are* string slices already,
    // this works too, without the slice syntax!
    let word = first_word(my_string_literal);
}

其他切片

正如你可能想象的那样，字符串切片是字符串特有的。但是还有一种更通用的切片类型。考虑一下这个数组


#![allow(unused)]
fn main() {
let a = [1, 2, 3, 4, 5];
}

正如我们可能想要引用字符串的一部分一样，我们也可能想要引用数组的一部分。我们会这样做


#![allow(unused)]
fn main() {
let a = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice = &a[1..3];

assert_eq!(slice, &[2, 3]);
}

此切片的类型为 &[i32]。它的工作方式与字符串切片相同，都是通过存储对第一个元素的引用和长度来实现的。你将对所有其他类型的集合使用这种切片。当我们讨论第 8 章中的向量时，我们将详细讨论这些集合。

总结

所有权、借用和切片的概念确保了 Rust 程序在编译时的内存安全。Rust 语言使你可以像其他系统编程语言一样控制内存使用，但是让数据的所有者在所有者超出作用域时自动清理该数据意味着你无需编写和调试额外的代码即可获得此控制。

所有权会影响 Rust 工作的许多其他部分，因此我们将在本书的其余部分中进一步讨论这些概念。让我们继续第 5 章，看看如何在 struct 中将数据片段组合在一起。