【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

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所属的专栏：Rust语言通关之路
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Rust迭代器

迭代器是Rust语言中一个强大且高效的概念，它为处理集合和数据序列提供了统一、安全且零成本抽象的接口。
Rust的迭代器不仅使用方便，而且在编译时就能进行大量优化，使得最终生成的代码性能通常能与手写的循环相媲美。
迭代器模式允许你对一个项的序列进行某些处理。迭代器（iterator）负责遍历序列中的每一项和决定序列何时结束的逻辑。
当使用迭代器时，我们无需重新实现这些逻辑。

1. 迭代器基础

1.1 什么是迭代器

在Rust中，迭代器是实现了Iterator trait的任何类型都是迭代器。这个Iterator trait是标准库中的trait。源码中，这个trait定义如下：

pub trait Iterator {type Item;//type Item和Self::Item这种用法叫做定义trait的关联类型。这个在项目中用的比较多。这个next方法是被要求实现该trait唯一必须要实现的方法，该trait的其他方法是有默认实现fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>; // 提供了许多默认方法...
}

next方法是被要求实现该trait唯一必须要实现的方法，该trait的其他方法是有默认实现
实例对象每调用一次next方法，返回一个元素，当迭代器结束时，返回None。
任何实现了Iterator trait的类型都可以被迭代，产生一系列值。

1.2 创建迭代器

Rust中的大多数集合类型都提供了创建迭代器的方法：

fn main() {// 创建迭代器，迭代器是实现了Iterator trait的对象// 通过集合创建迭代器let mut vec = vec![1, 2, 3];// 获取不可变引用迭代器let iter = vec.iter(); // 产生 &i32// 获取可变引用迭代器let iter_mut = vec.iter_mut(); // 产生 &mut i32// 获取所有权迭代器let into_iter = vec.into_iter(); // 产生 i32
}

创建可变引用迭代器

//创建mutable迭代器
let mut vec = vec![1, 2, 3];
for num in vec.iter_mut() {*num += 1;println!("{}", num);
}

创建获取所有权迭代器

//创建获取所有权的迭代器
let vec = vec![1, 2, 3];
for num in vec.into_iter() {println!("{}", num);
}
println!("{:?}", vec); // 错误！vec的所有权已移动到迭代器中

在 Rust 中，迭代器是 惰性的（lazy），这意味着直到调用方法消费迭代器之前它都不会有效果。

1.3 使用迭代器

创建迭代器之后，可以选择用多种方式利用它。
最简单的使用方式是for循环：

fn main() {let vec = vec![1, 2, 3];//使用迭代器for num in vec.iter() {println!("{}", num);}
}

使用for_each代替for循环：在某些情况下可能更高效

//for_each
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//for_each方法会遍历迭代器中的所有元素，并对每个元素执行闭包
nums.iter().for_each(|x| println!("{}", x));

也可以手动调用next()方法：
返回的是Option

let mut iter = vec![1, 2, 3].iter();
//手动调用next方法
println!("{:?}", iter.next());
println!("{:?}", iter.next());
println!("{:?}", iter.next());
println!("{:?}", iter.next());

当迭代器结束时，返回None

2. 迭代器适配器

Rust提供了丰富的迭代器适配器方法，可以对迭代器进行各种转换和组合。

2.1 map

map对每个元素应用一个函数：
let nums = vec![1, 2, 3];
let squares: Vec<_> = nums.iter().map(|x| x * x).collect();
println!("{:?}", squares);

2.2 filter

filter只保留满足条件的元素：

let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let evens: Vec<_> = nums.iter().filter(|x| *x % 2 == 0).collect();
println!("{:?}", evens);

2.3 filter_map

结合了filter和map的功能：
filter_map 会调用 parse 方法，如果成功则返回 Some，失败则返回 None

let strings = vec!["3", "seven", "8", "nine"];
let numbers: Vec<i32> = strings.iter().filter_map(|s| s.parse().ok()).collect();
println!("{:?}", numbers);

2.4 flat_map

将每个元素转换为迭代器后展平
flat_map 会将每个单词的字符展开成一个迭代器，然后将这些迭代器连接起来

let words = vec!["hello", "world"];
let letters: Vec<_> = words.iter().flat_map(|w| w.chars()).collect();
println!("{:?}", letters);

2.5 take和take_while

take获取前n个元素：
在Rust中，Iterator 类型的 take(n) 方法是用来创建一个新的迭代器，这个新的迭代器将只包含原始迭代器的前 n 个元素。这意味着原始迭代器不会被消耗掉，你可以在之后再次使用它。

//take
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];// 使用 take 方法，获取前3个元素
let iter = numbers.iter().take(3);// 遍历新的迭代器
for number in iter {println!("{}", number);
}// 原始迭代器仍然可以再次使用
for number in numbers.iter() {println!("{}", number);
}

take_while获取满足条件的连续元素：

//take_while
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];// 使用 take_while 方法，获取满足条件小于3的元素
// take_while 会返回一个新的迭代器，这个迭代器会从原始迭代器中获取元素，直到满足条件为止
let iter = numbers.iter().take_while(|x| **x < 3);// 遍历新的迭代器
for number in iter {println!("{}", number);
}

2.6 skip和skip_while

与take相反，跳过元素：

//skip
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];// 使用 skip 方法，跳过前3个元素
let iter = numbers.iter().skip(3);// 遍历新的迭代器
for number in iter {println!("{}", number);
}//skip_while
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];// 使用 skip_while 方法，跳过满足条件小于3的元素
let iter = numbers.iter().skip_while(|x| **x < 3);// 遍历新的迭代器
for number in iter {println!("{}", number);
}

2.7 zip

将两个迭代器合并为一个元组迭代器：

//zip
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let letters = vec!['a', 'b', 'c', 'd', 'e'];// 使用 zip 方法，将两个迭代器组合成一个元组迭代器
let iter = numbers.iter().zip(letters.iter());// 遍历新的迭代器
for (number, letter) in iter {println!("{} - {}", number, letter);
}

2.8 enumerate

为每个元素添加索引：

//enumerate
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];// 使用 enumerate 方法，获取索引和元素
let iter = numbers.iter().enumerate();// 遍历新的迭代器
for (index, number) in iter {println!("{} - {}", index, number);

2.9 chain

连接两个迭代器：
注意：chain只能连接相同类型的迭代器

//chain
//注意：chain只能连接相同类型的迭代器
let numbers = vec![1, 2, 3];
let letters = vec![4, 5, 6];// 使用 chain 方法，将两个迭代器连接起来
let iter = numbers.iter().chain(letters.iter());// 遍历新的迭代器
for item in iter {println!("{}", item);
}

2.10 cycle

无限循环迭代器：

//cycle
let numbers = vec![1, 2, 3];// 使用 cycle 方法，将迭代器循环起来
let iter = numbers.iter().cycle(); // cycle会无限循环迭代器// 遍历新的迭代器
for (index, item) in iter.enumerate() {//设置个退出条件，否则会无限循环if index > 10 {break;}println!("{}", item);
}

3. 消费迭代适配器

消费者是消耗迭代器并产生最终结果的方法。

3.1 collect

将迭代器转换为集合：

let nums = 1..=5;
let squared: Vec<i32> = nums.map(|x| x * x).collect();
println!("{:?}", squared);

3.2 fold

累积计算：

//fold
//fold求和
let nums = 1..=5;
let sum = nums.fold(0, |acc, x| acc + x);println!("{}", sum);//使用fold求平均值
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let avg = nums.iter().fold(0.0, |acc, x| acc + (*x as f64)) / (nums.len() as f64);println!("{}", avg);

3.3 any和all

检查是否存在或所有元素满足条件：

//any
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//any方法会返回true或false，表示迭代器中任意一个元素满足条件即可
let has_even = nums.iter().any(|x| x % 2 == 0);println!("{}", has_even);//all
//all方法会返回true或false，表示迭代器中所有元素都满足条件才返回true
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let all_even = nums.iter().all(|x| x % 2 == 0);println!("{}", all_even);

3.4 find和position

find和position都会返回Option
查找元素：

//find 返回的是满足条件的元素的引用Option
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//find方法会返回Option，表示迭代器中找到的第一个满足条件的元素
let first_even = nums.iter().find(|x| **x % 2 == 0);//find方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let first_even = first_even.unwrap_or_else(|| &0);
println!("{:?}", first_even);//position。返回的是索引Option
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//position方法会返回Option，表示迭代器中找到的第一个满足条件的元素的索引
let first_even_index = nums.iter().position(|x| *x % 2 == 0);//position方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let first_even_index = first_even_index.unwrap_or_else(|| 0);
println!("{:?}", first_even_index);

3.6 max和min

查找最大最小值：
返回的也是Option

//max
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//max方法会返回Option，表示迭代器中最大的元素
let max = nums.iter().max();//max方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let max = max.unwrap_or_else(|| &0);
println!("{:?}", max);//min
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//min方法会返回Option，表示迭代器中最小的元素
let min = nums.iter().min();//min方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let min = min.unwrap_or_else(|| &0);
println!("{:?}", min);

3.7 sum和product

求和与求积：

//sum
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//sum方法会返回迭代器中所有元素的和
let sum = nums.iter().sum::<i32>(); //sum方法需要指定返回值的类型，在变量处标注类型也可以
println!("{:?}", sum);//product
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//product方法会返回迭代器中所有元素的积
let product = nums.iter().product::<i32>(); //product方法需要指定返回值的类型，在变量处标注类型也可以
println!("{:?}", product);

3.8 count

计算元素数量：

//count
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//count方法会返回usize，表示迭代器中所有元素的数量
let count = nums.iter().count();
println!("{:?}", count);

3.9 last和nth

last: 表示获取迭代器中最后一个元素
nth: 表示获取迭代器中第n个元素，n表示索引位置

//last
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//last方法会返回Option，表示迭代器中最后一个元素
let last = nums.iter().last();//last方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let last = last.unwrap_or_else(|| &0);
println!("{:?}", last);//nth
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//nth方法会返回Option，表示迭代器中第n个元素，n从0开始
let third = nums.iter().nth(2);//nth方法返回Option，所以需要使用unwrap_or_else来处理None的情况
let third = third.unwrap_or_else(|| &0);
println!("{:?}", third);

4. 高级迭代器用法

4.1 自定义迭代器

我们可以实现自己的迭代器类型：

//自定义迭代器
struct Counter {count: u32,max: u32,
}impl Counter {fn new(max: u32) -> Counter {Counter { count: 0, max }}
}
//自定义迭代器，只需要我们创建的类实现Iterator这个trait即可
impl Iterator for Counter {type Item = u32; //type Item = u32;表示迭代器中元素的类型，在trait中定义//next方法是Iterator trait中定义的，我们需要实现它//next方法的返回值是Option<Self::Item>，表示迭代器中下一个元素，如果迭代器中没有下一个元素，则返回None//next方法的参数是&mut self，表示迭代器的可变引用，因为迭代器需要在每次调用next方法时修改内部的状态//Self::Item表示迭代器中元素的类型，我们在上面定义为u32fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {//如果计数器小于最大值，则增加计数器并返回Some(self.count)，否则返回Noneif self.count < self.max {self.count += 1;Some(self.count)} else {None}}
}
fn main() {//创建Counter实例，传的参数是最大值let counter = Counter::new(5);//for循环会自动调用迭代器的next方法，直到迭代器返回Nonefor num in counter {println!("{}", num);}
}

4.2 Peekable迭代器

peekable允许我们查看下一个元素而不消耗它：
eekable 是 Rust 迭代器的一个适配器方法，它可以将任何迭代器转换为可以"偷看"下一个元素的迭代器。
这个功能在很多场景下非常有用，特别是当你需要基于下一个元素的值来决定当前如何处理时。
基本用法

let mut iter = [1, 2, 3].iter().peekable();

主要使用场景

1. 前瞻性处理（Look-ahead Processing）
   当需要根据下一个元素决定当前元素如何处理时：

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5];
let mut iter = numbers.iter().peekable();while let Some(num) = iter.next() {if let Some(&&next_num) = iter.peek() {println!("当前: {}, 下一个: {}", num, next_num);} else {println!("当前: {}, 这是最后一个", num);}
}

2. 合并连续重复项
   处理连续重复的元素：

fn dedup_adjacent<I: Iterator<Item = i32>>(iter: I) -> impl Iterator<Item = i32> {let mut peekable = iter.peekable();std::iter::from_fn(move || {while let Some(current) = peekable.next() {if peekable.peek() != Some(&current) {return Some(current);}}None})
}

3. 解析器和词法分析器
   在编写解析器时经常需要前瞻：

fn tokenize(input: &str) -> Vec<Token> {let mut chars = input.chars().peekable();let mut tokens = Vec::new();while let Some(c) = chars.next() {match c {'0'..='9' => {let mut num = c.to_string();while let Some('0'..='9') = chars.peek() {num.push(chars.next().unwrap());}tokens.push(Token::Number(num.parse().unwrap()));}// 其他token处理...}}tokens
}

4. 条件性跳过元素
   基于后续元素决定是否跳过当前元素：

let mut iter = [1, 2, 3, 4, 5].iter().peekable();
let mut result = Vec::new();while let Some(&num) = iter.next() {if num == 3 && iter.peek() == Some(&&4) {// 跳过3如果下一个是4continue;}result.push(num);
}

5. 分隔符处理
   处理以特定模式分隔的数据：

fn split_by_double_newline(text: &str) -> Vec<&str> {let mut lines = text.lines().peekable();let mut paragraphs = Vec::new();let mut current = String::new();while let Some(line) = lines.next() {current.push_str(line);if lines.peek() == Some(&"") {paragraphs.push(current);current = String::new();lines.next(); // 跳过空行}}if !current.is_empty() {paragraphs.push(current);}paragraphs
}

Peekable的重要方法
Peekable 迭代器提供了几个特有方法：
1）peek() - 返回下一个元素的引用但不消耗它
if iter.peek() == Some(&value) { … }

2）next() - 返回下一个元素并且消耗它
let next = iter.next();

3）next_if() - 条件性消耗下一个元素
// 只有当下一个元素匹配谓词时才消耗它
while let Some(item) = iter.next_if(|&x| x > 5) { … }

4）next_if_eq() - 只有当下一个元素等于给定值时才消耗它
// 只有当下一个元素是5时才消耗它
if let Some(five) = iter.next_if_eq(&5) { … }

示例：

//peekable
let nums = vec![1, 2, 3, 4, 5];
//peekable方法会返回一个Peekable迭代器，这个迭代器可以预览下一个元素，但是不会消费下一个元素
let mut iter = nums.iter().peekable();//peek方法会返回Option，表示预览下一个元素，但是不会消费下一个元素
let next = iter.peek();
println!("{:?}", next);//next方法会返回Option，表示获取下一个元素，并消费这个元素
let next = iter.next();
println!("{:?}", next);//再次调用peek方法，会返回下一个元素的引用，因为上一次调用next方法已经消费了上一个元素
let next = iter.peek();
println!("{:?}", next);

4.3 迭代器性能

Rust迭代器是零成本抽象，编译器能将其优化为高效的代码。例如：
let sum: i32 = (1…=100).filter(|x| x % 2 == 0).sum();
编译器会将其优化为类似手写循环的代码，而不会有额外的开销。

4.4 并行迭代器

需要在项目中安装第三方库

cargo add rayon

使用rayon库可以实现并行迭代：

//并行迭代器
use rayon::prelude::*;
fn main() {//使用并行迭代器let sum: u128 = (1..=100000).into_par_iter().filter(|x| x % 2 == 0) //过滤出偶数.sum(); //求和println!("{}", sum);
}

5. 迭代器性能优化技巧

1）避免中间集合：尽量使用迭代器链而不是创建中间集合

// 不好
let filtered: Vec<_> = nums.iter().filter(|x| x % 2 == 0).collect();
let doubled: Vec<_> = filtered.iter().map(|x| x * 2).collect();// 好
let result: Vec<_> = nums.iter().filter(|x| x % 2 == 0).map(|x| x * 2).collect();

2）使用for_each代替for循环：在某些情况下可能更高效

(0..100).for_each(|x| println!("{}", x));

3）利用短路求值：any和all会在确定结果后立即停止迭代

4）选择合适的迭代器：根据需求选择iter()、iter_mut()或into_iter()

5）预分配空间：当最终需要集合时，可以预分配空间提高性能

let mut result = Vec::with_capacity(100);
(0..100).map(|x| x * 2).for_each(|x| result.push(x));

6. 常见问题与解决方案

1）迭代器被消耗：迭代器是消耗性的，一旦遍历完成就不能再使用

let mut iter = vec![1, 2, 3].into_iter();
iter.next();  // 消耗第一个元素
let sum: i32 = iter.sum();  // 只会计算剩下的元素

2）所有权问题：into_iter()会获取所有权

一旦使用了into_iter()，原数据将不可再使用
let vec = vec![1, 2, 3];
let iter = vec.into_iter();  // vec的所有权被转移
// 这里不能再使用vec

3）无限迭代器：某些迭代器（如cycle）是无限的，需要与take等适配器一起使用

let first_ten = (0..).cycle().take(10).collect::<Vec<_>>();

4）惰性求值：迭代器是惰性的，只有在消费者调用时才会执行

let iter = (0..10).map(|x| {println!("Processing {}", x);x * 2
});  // 这里不会打印任何东西let result: Vec<_> = iter.collect();  // 现在才会执行

7. 总结

Rust的迭代器是一个强大而灵活的工具，它提供了高效、安全的方式来处理各种数据序列。
通过本文的学习，相信大家应该已经掌握了迭代器的基本用法、各种适配器和消费者方法，以及如何在实际项目中应用它们。
迭代器不仅能写出更简洁、更表达性的代码，还能保持高性能，这是Rust语言"零成本抽象"哲学的重要体现。
记住，熟练掌握迭代器需要实践。尝试在你们自己的Rust项目中使用迭代器，开始时可能会遇到一些困难，但随着经验的积累，你会越来越欣赏它们带来的便利和效率。