Rust 程序设计语言

在哈希映射中存储键值对

我们常见的集合中的最后一个是哈希映射。类型 HashMap<K, V> 使用哈希函数存储类型为 K 的键到类型为 V 的值的映射，哈希函数决定了它如何将这些键和值放入内存中。许多编程语言都支持这种数据结构，但它们通常使用不同的名称，例如 hash、map、object、hash table、dictionary 或 associative array，仅举几例。

当您想查找数据时，哈希映射非常有用，不是像向量那样使用索引，而是使用可以是任何类型的键。例如，在游戏中，您可以在哈希映射中跟踪每个团队的分数，其中每个键是团队的名称，值是每个团队的分数。给定一个团队名称，您可以检索其分数。

在本节中，我们将介绍哈希映射的基本 API，但在标准库中为 HashMap<K, V> 定义的函数中隐藏着更多的好东西。与往常一样，请查看标准库文档以获取更多信息。

创建新的哈希映射

创建空哈希映射的一种方法是使用 new 并使用 insert 添加元素。在列表 8-20 中，我们正在跟踪名为蓝色和黄色的两个团队的分数。蓝色团队以 10 分开始，黄色团队以 50 分开始。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let mut scores = HashMap::new();

    scores.insert(String::from("Blue"), 10);
    scores.insert(String::from("Yellow"), 50);
}

请注意，我们需要首先 use 标准库集合部分中的 HashMap。在我们三个常见的集合中，这是最不常用的一个，因此它不包含在 prelude 中自动引入作用域的功能中。哈希映射也较少得到标准库的支持；例如，没有内置的宏来构造它们。

就像向量一样，哈希映射将其数据存储在堆上。此 HashMap 具有 String 类型的键和 i32 类型的值。与向量一样，哈希映射是同构的：所有键必须具有相同的类型，并且所有值必须具有相同的类型。

访问哈希映射中的值

我们可以通过向 get 方法提供其键来从哈希映射中获取值，如列表 8-21 所示。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let mut scores = HashMap::new();

    scores.insert(String::from("Blue"), 10);
    scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

    let team_name = String::from("Blue");
    let score = scores.get(&team_name).copied().unwrap_or(0);
}

在这里，score 将具有与蓝色团队关联的值，结果将是 10。get 方法返回一个 Option<&V>；如果哈希映射中没有该键的值，get 将返回 None。此程序通过调用 copied 来处理 Option 以获得 Option<i32> 而不是 Option<&i32>，然后使用 unwrap_or 将 score 设置为零，如果 scores 没有该键的条目。

我们可以像使用向量一样，使用 for 循环遍历哈希映射中的每个键值对

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let mut scores = HashMap::new();

    scores.insert(String::from("Blue"), 10);
    scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

    for (key, value) in &scores {
        println!("{key}: {value}");
    }
}

此代码将以任意顺序打印每个键值对

Yellow: 50
Blue: 10

哈希映射和所有权

对于实现 Copy trait 的类型（如 i32），这些值将被复制到哈希映射中。对于像 String 这样的拥有值，这些值将被移动，哈希映射将成为这些值的所有者，如列表 8-22 所示。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let field_name = String::from("Favorite color");
    let field_value = String::from("Blue");

    let mut map = HashMap::new();
    map.insert(field_name, field_value);
    // field_name and field_value are invalid at this point, try using them and
    // see what compiler error you get!
}

在通过调用 insert 将变量 field_name 和 field_value 移动到哈希映射中之后，我们就无法再使用它们了。

如果我们将值的引用插入到哈希映射中，则这些值不会被移动到哈希映射中。引用指向的值必须至少在哈希映射有效的期间内保持有效。我们将在“使用生命周期验证引用”第 10 章的章节中详细讨论这些问题。

更新哈希映射

虽然键值对的数量是可增长的，但每个唯一的键在任何时候只能有一个与之关联的值（但反之则不然：例如，蓝色团队和黄色团队都可以在 scores 哈希映射中存储值 10）。

当您想要更改哈希映射中的数据时，您必须决定如何处理键已分配值的情况。您可以将旧值替换为新值，完全忽略旧值。您可以保留旧值并忽略新值，仅当键不已具有值时才添加新值。或者您可以组合旧值和新值。让我们看看如何执行这些操作！

覆盖值

如果我们将一个键和一个值插入到哈希映射中，然后使用不同的值插入相同的键，则与该键关联的值将被替换。即使列表 8-23 中的代码调用了两次 insert，哈希映射也只会包含一个键值对，因为我们两次都为蓝色团队的键插入了值。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let mut scores = HashMap::new();

    scores.insert(String::from("Blue"), 10);
    scores.insert(String::from("Blue"), 25);

    println!("{scores:?}");
}

此代码将打印 {"Blue": 25}。原始值 10 已被覆盖。

仅当键不存在时才添加键和值

通常需要检查哈希映射中是否已存在具有值的特定键，然后执行以下操作：如果键已存在于哈希映射中，则现有值应保持不变；如果键不存在，则插入它及其值。

哈希映射有一个特殊的 API 用于此，称为 entry，它将您要检查的键作为参数。entry 方法的返回值是一个名为 Entry 的枚举，它表示可能存在也可能不存在的值。假设我们要检查黄色团队的键是否具有关联的值。如果它没有，我们想要插入值 50，蓝色团队也是如此。使用 entry API，代码如列表 8-24 所示。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let mut scores = HashMap::new();
    scores.insert(String::from("Blue"), 10);

    scores.entry(String::from("Yellow")).or_insert(50);
    scores.entry(String::from("Blue")).or_insert(50);

    println!("{scores:?}");
}

Entry 上的 or_insert 方法被定义为：如果键存在，则返回对相应 Entry 键值的可变引用；如果键不存在，则将参数作为此键的新值插入，并返回对新值的可变引用。这种技术比我们自己编写逻辑要简洁得多，此外，它与借用检查器配合得更好。

运行列表 8-24 中的代码将打印 {"Yellow": 50, "Blue": 10}。第一次调用 entry 将插入黄色团队的键，值为 50，因为黄色团队尚无值。第二次调用 entry 不会更改哈希映射，因为蓝色团队已经有了值 10。

基于旧值更新值

哈希映射的另一个常见用例是查找键的值，然后根据旧值更新它。例如，列表 8-25 显示了统计某些文本中每个单词出现次数的代码。我们使用哈希映射，将单词作为键，并递增值以跟踪我们看到该单词的次数。如果是我们第一次看到一个单词，我们将首先插入值 0。

fn main() {
    use std::collections::HashMap;

    let text = "hello world wonderful world";

    let mut map = HashMap::new();

    for word in text.split_whitespace() {
        let count = map.entry(word).or_insert(0);
        *count += 1;
    }

    println!("{map:?}");
}

此代码将打印 {"world": 2, "hello": 1, "wonderful": 1}。您可能会看到相同的键值对以不同的顺序打印：回想一下“访问哈希映射中的值”部分，遍历哈希映射以任意顺序发生。

split_whitespace 方法返回一个迭代器，该迭代器遍历 text 中值以空格分隔的子切片。or_insert 方法返回对指定键值的可变引用 (&mut V)。在这里，我们将该可变引用存储在 count 变量中，因此为了赋值给该值，我们必须首先使用星号 (*) 解引用 count。可变引用在 for 循环结束时超出作用域，因此所有这些更改都是安全的并且被借用规则允许。

哈希函数

默认情况下，HashMap 使用名为 SipHash 的哈希函数，它可以提供对涉及哈希表的拒绝服务 (DoS) 攻击的抵抗¹。这不是最快的哈希算法，但是为了更好的安全性而牺牲一些性能是值得的。如果您分析您的代码并发现默认哈希函数对于您的目的来说太慢了，您可以通过指定不同的 hasher 来切换到另一个函数。hasher 是一种实现 BuildHasher trait 的类型。我们将在第 10 章中讨论 trait 以及如何实现它们。您不一定必须从头开始实现自己的 hasher；crates.io有其他 Rust 用户共享的库，这些库提供了实现许多常见哈希算法的 hasher。

总结

当您需要存储、访问和修改数据时，向量、字符串和哈希映射将提供程序中所需的大量功能。以下是一些您现在应该有能力解决的练习

1. 给定一个整数列表，使用向量并返回列表的中位数（排序后，中间位置的值）和众数（出现次数最多的值；哈希映射将在此处有所帮助）。
2. 将字符串转换为猪拉丁语。每个单词的第一个辅音被移动到单词的末尾并添加 ay，因此 first 变为 irst-fay。以元音开头的单词在末尾添加 hay（apple 变为 apple-hay）。请记住有关 UTF-8 编码的详细信息！
3. 使用哈希映射和向量，创建一个文本界面，允许用户向公司的部门添加员工姓名；例如，“Add Sally to Engineering”或“Add Amir to Sales”。然后让用户检索部门中的所有人列表或按部门列出的公司中的所有人列表，并按字母顺序排序。

标准库 API 文档描述了向量、字符串和哈希映射具有的方法，这些方法将对这些练习有所帮助！

我们正在进入更复杂的程序，其中操作可能会失败，因此现在是讨论错误处理的绝佳时机。我们接下来会这样做！