Rust入门系列：11、万字长文，一次性说透Rust中的字符串和切片

[MagicalBridge]

字符串

在其他语言中，字符串往往是送分题，因为实在是太简单了，例如 "hello, world" 就是字符串章节的几乎全部内容了，但是如果你带着同样的想法来学Rust，我保证，绝对会栽跟头，因为在Rust中，它有很多不一样的东西。

首先来看段很简单的代码：

fn main() {
  let my_name = "Pascal";
  greet(my_name);
}

fn greet(name: String) {
  println!("Hello, {}!", name);
}

greet 函数接受一个字符串类型的 name 参数，然后打印到终端控制台中，非常好理解，你们猜猜，这段代码能否通过编译？

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:3:11
  |
3 |     greet(my_name);
  |           ^^^^^^^
  |           |
  |           expected struct `std::string::String`, found `&str`
  |           help: try using a conversion method: `my_name.to_string()`

error: aborting due to previous error

果然报错了，编译器提示 greet 函数需要一个 String 类型的字符串，却传入了一个 &str 类型的字符串，相信此刻你心中一定很疑惑，怎么字符串也能整出这么多花活？

在讲解字符串之前，先来看看什么是切片

切片

切片并不是Rust独有的概念，在Go语言中就非常流行，它允许你引用集合中部分连续的元素序列，而不是引用整个集合。

对于字符串而言，切片就是对 String 类型中某一部分的引用，它看起来像这样：

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

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

hello 没有引用整个 String s，而是引用了 s 的一部分内容，通过 [0..5] 的方式来指定。

这就是创建切片的语法，使用方括号包括的一个序列： [开始索引..终止索引] ，其中开始索引是切片中第一个元素的索引位置，而终止索引是最后一个元素后面的索引位置。换句话说，这是一个 右半开区间（或者左闭右开区间）。在切片数据结构内部会保存开始的位置和切片的长度，其中长度是通过 终止索引 - 开始索引 的方式计算得来的。

对于 let world = &s[6..11]; 来说，world 是一个切片，该切片的指针指向 s 的第 7 个字节(索引从 0 开始, 6 是第 7 个字节)，且该切片的长度是 5 个字节。

在使用 Rust 的 .. range 序列语法时，如果你想从索引 0 开始，可以使用如下的方式，这两个是等效的：

let s = String::from("hello");

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

同样的，如果你的切片想要包含 String 的最后一个字节，则可以这样使用：

let s = String::from("hello");

let len = s.len();

let slice = &s[4..len];
let slice = &s[4..];

你也可以截取完整的 String 切片：

let s = String::from("hello");

let len = s.len();

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

在对字符串使用切片语法时需要格外小心，切片的索引必须落在字符之间的边界位置，也就是 UTF-8 字符的边界，例如中文在 UTF-8 中占用三个字节，下面的代码就会崩溃：

 let s = "中国人";
 let a = &s[0..2];
 println!("{}",a);

因为我们只取 s 字符串的前两个字节，但是本例中每个汉字占用三个字节，因此没有落在边界处，也就是连 中 字都取不完整，此时程序会直接崩溃退出，如果改成 &s[0..3]，则可以正常通过编译。

字符串切片的类型标识是 &str，因此我们可以这样声明一个函数，输入 String 类型，返回它的切片: fn first_word(s: &String) -> &str 。

有了切片就可以写出这样的代码：

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

    let word = first_word(&s);

    s.clear(); // error!

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

fn first_word(s: &String) -> &str {
    &s[..1]
}

编译器报错如下：

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

回忆一下借用的规则：当我们已经有了可变借用时，就无法再拥有不可变的借用。因为 clear 需要清空改变 String，因此它需要一个可变借用（利用 VSCode 可以看到该方法的声明是 pub fn clear(&mut self) ，参数是对自身的可变借用 ）；而之后的 println! 又使用了不可变借用，也就是在 s.clear() 处可变借用与不可变借用试图同时生效，因此编译无法通过。

从上述代码可以看出，Rust不仅让我们的 API 更加容易使用，而且也在编译期就消除了大量错误！

其它切片

因为切片是对集合的部分引用，因此不仅仅字符串有切片，其它集合类型也有，例如数组：

let a = [1, 2, 3, 4, 5];

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

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

该数组切片的类型是 &[i32]，数组切片和字符串切片的工作方式是一样的，例如持有一个引用指向原始数组的某个元素和长度。

字符串字面量是切片

之前提到过字符串字面量,但是没有提到它的类型：

let s = "Hello, world!";

实际上，s 的类型是 &str，因此你也可以这样声明：

let s: &str = "Hello, world!";

该切片指向了程序可执行文件中的某个点，这也是为什么字符串字面量是不可变的，因为 &str 是一个不可变引用。

什么是字符串

字符串是由字符组成的连续集合，Rust中的字符是 Unicode 类型，因此每个字符占据 4 个字节内存空间，但是在字符串中不一样，字符串是 UTF-8 编码，也就是字符串中的字符所占的字节数是变化的(1 - 4) ，这样有助于大幅降低字符串所占用的内存空间。

Rust 在语言级别，只有一种字符串类型： str，它通常是以引用类型出现 &str，也就是上文提到的字符串切片。虽然语言级别只有上述的 str 类型，但是在标准库里，还有多种不同用途的字符串类型，其中使用最广的即是 String 类型。

str 类型是硬编码进可执行文件，也无法被修改，但是 String 则是一个可增长、可改变且具有所有权的 UTF-8 编码字符串，当 Rust 用户提到字符串时，往往指的就是 String 类型和 &str 字符串切片类型，这两个类型都是 UTF-8 编码。

除了 String 类型的字符串，Rust 的标准库还提供了其他类型的字符串，例如 OsString， OsStr， CsString 和 CsStr 等，注意到这些名字都以 String 或者 Str 结尾了吗？它们分别对应的是具有所有权和被借用的变量。

String和&str的转换

在之前的代码中，已经见到好几种从 &str 类型生成 String 类型的操作：

• String::from("hello,world")
• "hello,world".to_string()

那么如何将 String 类型转为 &str 类型呢？答案很简单，取引用即可：

fn main() {
    let s = String::from("hello,world!");
    say_hello(&s);
    say_hello(&s[..]);
    say_hello(s.as_str());
}

fn say_hello(s: &str) {
    println!("{}",s);
}

实际上这种灵活用法是因为 deref 隐式强制转换，具体我们会在后面的小节中进行详细讲解。

字符串索引

在其它语言中，使用索引的方式访问字符串的某个字符或者子串是很正常的行为，但是在 Rust 中就会报错：

let s1 = String::from("hello");
let h = s1[0];

该代码会产生如下错误：

3 |     let h = s1[0];
  |             ^^^^^ `String` cannot be indexed by `{integer}`
  |
  = help: the trait `Index<{integer}>` is not implemented for `String`

深入字符串内部

字符串的底层的数据存储格式实际上是[ u8 ]，一个字节数组。对于 let hello = String::from("Hola"); 这行代码来说，Hola 的长度是 4 个字节，因为 "Hola" 中的每个字母在 UTF-8 编码中仅占用 1 个字节，但是对于下面的代码呢？

let hello = String::from("中国人");

如果问你该字符串多长，你可能会说 3，但是实际上是 9 个字节的长度，因为大部分常用汉字在 UTF-8 中的长度是 3 个字节，因此这种情况下对 hello 进行索引，访问 &hello[0] 没有任何意义，因为你取不到 中 这个字符，而是取到了这个字符三个字节中的第一个字节，这是一个非常奇怪而且难以理解的返回值。

字符串切片

前文提到过，字符串切片是非常危险的操作，因为切片的索引是通过字节来进行，但是字符串又是 UTF-8 编码，因此你无法保证索引的字节刚好落在字符的边界上，例如：

let hello = "中国人";

let s = &hello[0..2];

运行上面的程序，会直接造成崩溃：

thread 'main' panicked at 'byte index 2 is not a char boundary; it is inside '中' (bytes 0..3) of `中国人`', src/main.rs:4:14
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

这里提示的很清楚，我们索引的字节落在了 中 字符的内部，这种返回没有任何意义。

因此在通过索引区间来访问字符串时，需要格外的小心，一不注意，就会导致你程序的崩溃！

操作字符串

由于 String 是可变字符串，下面介绍 Rust 字符串的修改，添加，删除等常用方法：

追加（push）

在字符串尾部可以使用 push() 方法追加字符 char，也可以使用 push_str() 方法追加字符串字面量。这两个方法都是在原有的字符串上追加，并不会返回新的字符串。由于字符串追加操作要修改原来的字符串，则该字符串必须是可变的，即字符串变量必须由 mut 关键字修饰。

示例代码如下：

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

    s.push_str("rust");
    println!("追加字符串 push_str() -> {}", s);

    s.push('!');
    println!("追加字符 push() -> {}", s);
}

代码运行结果：

追加字符串 push_str() -> Hello rust
追加字符 push() -> Hello rust!

插入（Insert）

可以使用 insert() 方法插入单个字符 char，也可以使用 insert_str() 方法插入字符串字面量，与 push() 方法不同，这俩方法需要传入两个参数，第一个参数是字符（串）插入位置的索引，第二个参数是要插入的字符（串），索引从 0 开始计数，如果越界则会发生错误。由于字符串插入操作要修改原来的字符串，则该字符串必须是可变的，即字符串变量必须由 mut 关键字修饰。

代码示例：

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello rust!");
    s.insert(5, ',');
    println!("插入字符 insert() -> {}", s);
    s.insert_str(6, " I like");
    println!("插入字符串 insert_str() -> {}", s);
}

运行结果

插入字符 insert() -> Hello, rust!
插入字符串 insert_str() -> Hello, I like rust!

替换（Replace）

如果想要把字符串中的某个字符串替换成其它的字符串，那可以使用 replace() 方法。与替换有关的方法有三个。

1、replace

该方法可适用于 String 和 &str 类型。replace() 方法接收两个参数，第一个参数是要被替换的字符串，第二个参数是新的字符串。该方法会替换所有匹配到的字符串。该方法是返回一个新的字符串，而不是操作原来的字符串。

示例代码如下：

fn main() {
    let string_replace = String::from("I like rust. Learning rust is my favorite!");
    let new_string_replace = string_replace.replace("rust", "RUST");
    dbg!(new_string_replace);
}

代码运行结果：

new_string_replace = "I like RUST. Learning RUST is my favorite!"

2、replacen

该方法可适用于 String 和 &str 类型。replacen() 方法接收三个参数，前两个参数与 replace() 方法一样，第三个参数则表示替换的个数。该方法是返回一个新的字符串，而不是操作原来的字符串。

示例代码如下：

fn main() {
    let string_replace = "I like rust. Learning rust is my favorite!";
    let new_string_replacen = string_replace.replacen("rust", "RUST", 1);
    dbg!(new_string_replacen);
}

代码运行结果：

new_string_replacen = "I like RUST. Learning rust is my favorite!"

3、replace_range

该方法仅适用于 String 类型。replace_range 接收两个参数，第一个参数是要替换字符串的范围（Range），第二个参数是新的字符串。该方法是直接操作原来的字符串，不会返回新的字符串。该方法需要使用 mut 关键字修饰。

示例代码如下：

fn main() {
    let mut string_replace_range = String::from("I like rust!");
    string_replace_range.replace_range(7..8, "R");
    dbg!(string_replace_range);
}

代码运行结果：

string_replace_range = "I like Rust!"

删除（Delete）

与字符串删除相关的方法有 4 个，他们分别是 pop()，remove()，truncate()，clear()。这四个方法仅适用于 String 类型。

1、 pop —— 删除并返回字符串的最后一个字符

该方法是直接操作原来的字符串。但是存在返回值，其返回值是一个 Option 类型，如果字符串为空，则返回 None。

示例代码如下：

fn main() {
    let mut string_pop = String::from("rust pop 中文!");
    let p1 = string_pop.pop();
    let p2 = string_pop.pop();
    dbg!(p1);
    dbg!(p2);
    dbg!(string_pop);
}

代码运行结果：

p1 = Some(
   '!',
)
p2 = Some(
   '文',
)
string_pop = "rust pop 中"

2、 remove —— 删除并返回字符串中指定位置的字符

该方法是直接操作原来的字符串。但是存在返回值，其返回值是删除位置的字符串，只接收一个参数，表示该字符起始索引位置。remove() 方法是按照字节来处理字符串的，如果参数所给的位置不是合法的字符边界，则会发生错误。

示例代码如下：

fn main() {
    let mut string_remove = String::from("测试remove方法");
    println!(
        "string_remove 占 {} 个字节",
        std::mem::size_of_val(string_remove.as_str())
    );
    // 删除第一个汉字
    string_remove.remove(0);
    // 下面代码会发生错误
    // string_remove.remove(1);
    // 直接删除第二个汉字
    // string_remove.remove(3);
    dbg!(string_remove);
}

代码运行结果：

string_remove 占 18 个字节
string_remove = "试remove方法"

3、truncate —— 删除字符串中从指定位置开始到结尾的全部字符

该方法是直接操作原来的字符串。无返回值。该方法 truncate() 方法是按照字节来处理字符串的，如果参数所给的位置不是合法的字符边界，则会发生错误。

示例代码如下：

fn main() {
    let mut string_truncate = String::from("测试truncate");
    string_truncate.truncate(3);
    dbg!(string_truncate);
}

代码运行结果：

string_truncate = "测"

4、clear —— 清空字符串

该方法是直接操作原来的字符串。调用后，删除字符串中的所有字符，相当于 truncate() 方法参数为 0 的时候。

示例代码如下：

fn main() {
    let mut string_clear = String::from("string clear");
    string_clear.clear();
    dbg!(string_clear);
}

代码运行结果：

string_clear = ""

连接（concatenate）

1、使用 + 或者 += 连接字符串

使用 + 或者 += 连接字符串，要求右边的参数必须为字符串的切片引用（Slice）类型。其实当调用 + 的操作符时，相当于调用了 std::string 标准库中的add()方法，这里 add() 方法的第二个参数是一个引用的类型。因此我们在使用 + 时， 必须传递切片引用类型。不能直接传递 String 类型。 + 是返回一个新的字符串，所以变量声明可以不需要 mut 关键字修饰。

示例代码如下：

fn main() {
    let string_append = String::from("hello ");
    let string_rust = String::from("rust");
    // &string_rust会自动解引用为&str
    let result = string_append + &string_rust;
    let mut result = result + "!"; // `result + "!"` 中的 `result` 是不可变的
    result += "!!!";

    println!("连接字符串 + -> {}", result);
}

代码运行结果：

连接字符串 + -> hello rust!!!!

字符串转义

我们可以通过转义的方式 \ 输出 ASCII 和 Unicode 字符。

fn main() {
    // 通过 \ + 字符的十六进制表示，转义输出一个字符
    let byte_escape = "I'm writing \x52\x75\x73\x74!";
    println!("What are you doing\x3F (\\x3F means ?) {}", byte_escape);

    // \u 可以输出一个 unicode 字符
    let unicode_codepoint = "\u{211D}";
    let character_name = "\"DOUBLE-STRUCK CAPITAL R\"";

    println!(
        "Unicode character {} (U+211D) is called {}",
        unicode_codepoint, character_name
    );

    // 换行了也会保持之前的字符串格式
    // 使用\忽略换行符
    let long_string = "String literals
                        can span multiple lines.
                        The linebreak and indentation here ->\
                        <- can be escaped too!";
    println!("{}", long_string);
}

当然，在某些情况下，可能你会希望保持字符串的原样，不要转义：

fn main() {
    println!("{}", "hello \\x52\\x75\\x73\\x74");
    let raw_str = r"Escapes don't work here: \x3F \u{211D}";
    println!("{}", raw_str);

    // 如果字符串包含双引号，可以在开头和结尾加 #
    let quotes = r#"And then I said: "There is no escape!""#;
    println!("{}", quotes);

    // 如果还是有歧义，可以继续增加，没有限制
    let longer_delimiter = r###"A string with "# in it. And even "##!"###;
    println!("{}", longer_delimiter);
}

字符串深度剖析

那么问题来了，为啥 String 可变，而字符串字面值 str 却不可以？

就字符串字面值来说，我们在编译时就知道其内容，最终字面值文本被直接硬编码进可执行文件中，这使得字符串字面值快速且高效，这主要得益于字符串字面值的不可变性。不幸的是，我们不能为了获得这种性能，而把每一个在编译时大小未知的文本都放进内存中（你也做不到！），因为有的字符串是在程序运行得过程中动态生成的。

对于 String 类型，为了支持一个可变、可增长的文本片段，需要在堆上分配一块在编译时未知大小的内存来存放内容，这些都是在程序运行时完成的：

• 首先向操作系统请求内存来存放 String 对象
• 在使用完成后，将内存释放，归还给操作系统

其中第一部分由 String::from 完成，它创建了一个全新的 String。

重点来了，到了第二部分，就是百家齐放的环节，在有垃圾回收 GC 的语言中，GC 来负责标记并清除这些不再使用的内存对象，这个过程都是自动完成，无需开发者关心，非常简单好用；但是在无 GC 的语言中，需要开发者手动去释放这些内存对象，就像创建对象需要通过编写代码来完成一样，未能正确释放对象造成的后果简直不可估量。

对于 Rust 而言，安全和性能是写到骨子里的核心特性，如果使用 GC，那么会牺牲性能；如果使用手动管理内存，那么会牺牲安全，这该怎么办？为此，Rust 的开发者想出了一个无比惊艳的办法：变量在离开作用域后，就自动释放其占用的内存：

{
    let s = String::from("hello"); // 从此处起，s 是有效的

    // 使用 s
}                                  // 此作用域已结束，
                                   // s 不再有效，内存被释放

与其它系统编程语言的 free 函数相同，Rust 也提供了一个释放内存的函数： drop，但是不同的是，其它语言要手动调用 free 来释放每一个变量占用的内存，而 Rust 则在变量离开作用域时，自动调用 drop 函数: 上面代码中，Rust 在结尾的 } 处自动调用 drop。

其实，在 C++ 中，也有这种概念: Resource Acquisition Is Initialization (RAII) 。如果你使用过 RAII 模式的话应该对 Rust 的 drop 函数并不陌生。

这个模式对编写 Rust 代码的方式有着深远的影响，在后面的文章中我们会进行更深入的介绍。