哈希 map 储存键值对

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最后介绍的常用集合类型是 哈希 maphash map)。HashMap<K, V> 类型储存了一个键类型 K 对应一个值类型 V 的映射。它通过一个 哈希函数hashing function)来实现映射,决定如何将键和值放入内存中。很多编程语言支持这种数据结构,不过通常有不同的名字:哈希、map、对象、哈希表或者关联数组,仅举几例。

哈希 map 可以用于需要任何类型作为键来寻找数据的情况,而不是像 vector 那样通过索引。例如,在一个游戏中,你可以将每个团队的分数记录到哈希 map 中,其中键是队伍的名字而值是每个队伍的分数。给出一个队名,就能得到它们的得分。

本章我们会介绍哈希 map 的基本 API,不过还有更多吸引人的功能隐藏于标准库中 HashMap 定义的函数中。请一如既往地查看标准库文档来了解更多信息。

新建一个哈希 map

可以使用 new 创建一个空的 HashMap,并使用 insert 增加元素。这里我们记录两支队伍的分数,分别是蓝队和黄队。蓝队开始有 10 分而黄队开始有 50 分:


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
use std::collections::HashMap;

let mut scores = HashMap::new();

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

示例 8-20:新建一个哈希 map 并插入一些键值对

注意必须首先 use 标准库中集合部分的 HashMap。在这三个常用集合中,HashMap 是最不常用的,所以并没有被 prelude 自动引用。标准库中对 HashMap 的支持也相对较少,例如,并没有内建的构建宏。

像 vector 一样,哈希 map 将它们的数据储存在堆上,这个 HashMap 的键类型是 String 而值类型是 i32。同样类似于 vector,哈希 map 是同质的:所有的键必须是相同类型,值也必须都是相同类型。

另一个构建哈希 map 的方法是使用一个元组的 vector 的 collect 方法,其中每个元组包含一个键值对。collect 方法可以将数据收集进一系列的集合类型,包括 HashMap。例如,如果队伍的名字和初始分数分别在两个 vector 中,可以使用 zip 方法来创建一个元组的 vector,其中 “Blue” 与 10 是一对,依此类推。接着就可以使用 collect 方法将这个元组 vector 转换成一个 HashMap,如示例 8-21 所示:


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
use std::collections::HashMap;

let teams  = vec![String::from("Blue"), String::from("Yellow")];
let initial_scores = vec![10, 50];

let scores: HashMap<_, _> = teams.iter().zip(initial_scores.iter()).collect();
#}

示例 8-21:用队伍列表和分数列表创建哈希 map

这里 HashMap<_, _> 类型注解是必要的,因为可能 collect 很多不同的数据结构,而除非显式指定否则 Rust 无从得知你需要的类型。但是对于键和值的类型参数来说,可以使用下划线占位,而 Rust 能够根据 vector 中数据的类型推断出 HashMap 所包含的类型。

哈希 map 和所有权

对于像 i32 这样的实现了 Copy trait 的类型,其值可以拷贝进哈希 map。对于像 String 这样拥有所有权的值,其值将被移动而哈希 map 会成为这些值的所有者,如示例 8-22 所示:


# #![allow(unused_variables)]
#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!
#}

示例 8-22:展示一旦键值对被插入后就为哈希 map 所拥有

insert 调用将 field_namefield_value 移动到哈希 map 中后,将不能使用这两个绑定。

如果将值的引用插入哈希 map,这些值本身将不会被移动进哈希 map。但是这些引用指向的值必须至少在哈希 map 有效时也是有效的。第十章 “使用生命周期保证引用有效” 部分将会更多的讨论这个问题。

访问哈希 map 中的值

可以通过 get 方法并提供对应的键来从哈希 map 中获取值,如示例 8-23 所示:


# #![allow(unused_variables)]
#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);
#}

示例 8-23:访问哈希 map 中储存的蓝队分数

这里,score 是与蓝队分数相关的值,应为 Some(10)。因为 get 返回 Option<V>,所以结果被装进 Some;如果某个键在哈希 map 中没有对应的值,get 会返回 None。这时就要用某种第六章提到的方法之一来处理 Option

可以使用与 vector 类似的方式来遍历哈希 map 中的每一个键值对,也就是 for 循环:


# #![allow(unused_variables)]
#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);
}
#}

这会以任意顺序打印出每一个键值对:

Yellow: 50
Blue: 10

更新哈希 map

尽管键值对的数量是可以增长的,不过任何时候,每个键只能关联一个值。当我们想要改变哈希 map 中的数据时,必须决定如何处理一个键已经有值了的情况。可以选择完全无视旧值并用新值代替旧值。可以选择保留旧值而忽略新值,并只在键 没有 对应值时增加新值。或者可以结合新旧两值。让我们看看这分别该如何处理!

覆盖一个值

如果我们插入了一个键值对,接着用相同的键插入一个不同的值,与这个键相关联的旧值将被替换。即便示例 8-24 中的代码调用了两次 insert,哈希 map 也只会包含一个键值对,因为两次都是对蓝队的键插入的值:


# #![allow(unused_variables)]
#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);
#}

示例 8-24:替换以特定键储存的值

这会打印出 {"Blue": 25}。原始的值 10 则被覆盖了。

只在键没有对应值时插入

我们经常会检查某个特定的键是否有值,如果没有就插入一个值。为此哈希 map 有一个特有的 API,叫做 entry,它获取我们想要检查的键作为参数。entry 函数的返回值是一个枚举,Entry,它代表了可能存在也可能不存在的值。比如说我们想要检查黄队的键是否关联了一个值。如果没有,就插入值 50,对于蓝队也是如此。使用 entry API 的代码看起来像示例 8-25 这样:


# #![allow(unused_variables)]
#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);
#}

示例 8-25:使用 entry 方法只在键没有对应一个值时插入

Entryor_insert 方法在键对应的值存在时就返回这个值的 Entry,如果不存在则将参数作为新值插入并返回修改过的 Entry。这比编写自己的逻辑要简明的多,另外也与借用检查器结合得更好。

运行示例 8-25 的代码会打印出 {"Yellow": 50, "Blue": 10}。第一个 entry 调用会插入黄队的键和值 50,因为黄队并没有一个值。第二个 entry 调用不会改变哈希 map 因为蓝队已经有了值 10

根据旧值更新一个值

另一个常见的哈希 map 的应用场景是找到一个键对应的值并根据旧的值更新它。例如,示例 8-26 中的代码计数一些文本中每一个单词分别出现了多少次。我们使用哈希 map 以单词作为键并递增其值来记录我们遇到过几次这个单词。如果是第一次看到某个单词,就插入值 0


# #![allow(unused_variables)]
#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);
#}

示例 8-26:通过哈希 map 储存单词和计数来统计出现次数

这会打印出 {"world": 2, "hello": 1, "wonderful": 1}or_insert 方法事实上会返回这个键的值的一个可变引用(&mut V)。这里我们将这个可变引用储存在 count 变量中,所以为了赋值必须首先使用星号(*)解引用 count。这个可变引用在 for 循环的结尾离开作用域,这样所有这些改变都是安全的并符合借用规则。

哈希函数

HashMap 默认使用一种密码学安全的哈希函数,它可以抵抗拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。然而这并不是可用的最快的算法,不过为了更高的安全性值得付出一些性能的代价。如果性能监测显示此哈希函数非常慢,以致于你无法接受,你可以指定一个不同的 hasher 来切换为其它函数。hasher 是一个实现了 BuildHasher trait 的类型。第十章会讨论 trait 和如何实现它们。你并不需要从头开始实现你自己的 hasher;crates.io 有其他人分享的实现了许多常用哈希算法的 hasher 的库。

总结

vector、字符串和哈希 map 会在你的程序需要储存、访问和修改数据时帮助你。这里有一些你应该能够解决的练习问题:

  • 给定一系列数字,使用 vector 并返回这个列表的平均数(mean, average)、中位数(排列数组后位于中间的值)和众数(mode,出现次数最多的值;这里哈希函数会很有帮助)。
  • 将字符串转换为 Pig Latin,也就是每一个单词的第一个辅音字母被移动到单词的结尾并增加 “ay”,所以 “first” 会变成 “irst-fay”。元音字母开头的单词则在结尾增加 “hay”(“apple” 会变成 “apple-hay”)。牢记 UTF-8 编码!
  • 使用哈希 map 和 vector,创建一个文本接口来允许用户向公司的部门中增加员工的名字。例如,“Add Sally to Engineering” 或 “Add Amir to Sales”。接着让用户获取一个部门的所有员工的列表,或者公司每个部门的所有员工按照字母顺排序的列表。

标准库 API 文档中描述的这些类型的方法将有助于你进行这些练习!

我们已经开始接触可能会有失败操作的复杂程序了,这也意味着接下来是一个了解错误处理的绝佳时机!