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今天的目標(biāo)是用rust實現(xiàn)一個簡單的單鏈表LinkedList，同時為此鏈表提供從頭部插入元素(頭插法)、翻轉(zhuǎn)鏈表、打印鏈表的功能。

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1.鏈表節(jié)點的定義

實現(xiàn)鏈表，首先是實現(xiàn)鏈表的節(jié)點，根據(jù)其他編程語言的經(jīng)驗，于是用rust首先寫出了下面的鏈表節(jié)點結(jié)構(gòu)體定義:

代碼片段1:

struct Node {
data: T,
next: Option>, // recursive type `Node` has infinite size
}

在代碼片段1中，定義一個Node結(jié)構(gòu)體，data字段使用了泛型類型T用于鏈表節(jié)點的數(shù)據(jù)。 next使用了Option枚舉，即如果該節(jié)點沒有下一個節(jié)點時，next是可空的，在rust中沒有其他編程語言中的空值(null, nil)，而是提供了Option的解決方案，如果該鏈表節(jié)點的下個節(jié)點為空，則其next取值為Option::None。

遺憾的是代碼片段1是無法編譯通過的，報了recursive type ``Node`` has infinite size的編譯錯誤?；仡橰ust內(nèi)存管理的基礎(chǔ)知識，Rust需要在編譯時知道一個類型占用多少空間，Node結(jié)構(gòu)體內(nèi)部嵌套了它自己，這樣在編譯時就無法確認(rèn)其占用空間大小了。 在Rust中當(dāng)有一個在編譯時未知大小的類型，而又想要在需要確切大小的上下文中使用這個類型值的時候，可以使用智能指針Box。將next字段的類型修改為Option>>，這樣嵌套的類型為Box，嵌套的Node將會被分配到堆上，next字段在棧上存儲的只是智能指針Box的數(shù)據(jù)(ptr, meta)，這樣在編譯時就能確定Node類型的大小了。將代碼片段1的修改如下:

代碼片段2:

struct Node {
data: T,
next: Option>>,
}

修改完成后，可以編譯通過了。根據(jù)next: Option>>，每個鏈表節(jié)點Node將擁有它下一個節(jié)點Node的所有權(quán)。

2.鏈表的定義

定義完鏈表之后，下一步再定義一個結(jié)構(gòu)體LinkedList用來表示鏈表，將會封裝一些鏈表的基本操作。 結(jié)構(gòu)體中只需方一個鏈表頭節(jié)點的字段head，類型為Option>>。

代碼片段3:

/// 單鏈表節(jié)點
#[derive(Debug)]
struct Node {
data: T,
next: Option>>,
}
/// 單鏈表
#[derive(Debug)]
struct LinkedList {
head: Option>>,
}

為了便于使用，再給Node和LinkedList這兩個結(jié)構(gòu)體各添加一下關(guān)聯(lián)函數(shù)new。

代碼片段4:

impl Node {
    fn new(data: T) -> Self {
        Self { data: data, next: None }
    }
}

impl LinkedList {
    fn new() -> Self {
        Self { head: None }
    }
}

Node的new函數(shù)用來使用給定的data數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個孤零零的(沒有下一個節(jié)點的)節(jié)點。

LinkedList的new函數(shù)用來創(chuàng)建一個空鏈表。

3.實現(xiàn)從鏈表頭部插入節(jié)點的prepend方法

前面已經(jīng)完成了鏈表和鏈表節(jié)點的定義，下面我們?yōu)殒湵韺崿F(xiàn)了prepend方法，這個方法將采用頭插法的方式向鏈表中添加節(jié)點。

代碼片段5:

impl LinkedList {
    fn new() -> Self {
        Self { head: None }
    }

    /// 在鏈表頭部插入節(jié)點(頭插法push front)
    fn prepend(&mut self, data: T) -> &mut Self {
        // 從傳入數(shù)據(jù)構(gòu)建要插入的節(jié)點
        let mut new_node = Box::new(Node::new(data));
        match self.head {
            // 當(dāng)前鏈表為空時, 插入的節(jié)點直接作為頭節(jié)點
            None => self.head = Some(new_node),
            // 當(dāng)前鏈表非空時, 插入的節(jié)點作為新的頭節(jié)點插入到原來的頭結(jié)點前面
            Some(_) => {
                // 調(diào)用Option的take方法取出Option中的頭結(jié)點(take的內(nèi)部實現(xiàn)是mem::replace可避免內(nèi)存拷貝), 作為新插入節(jié)點的下一個節(jié)點
                new_node.next = self.head.take();
                // 將新插入的節(jié)點作為鏈表的頭節(jié)點
                self.head = Some(new_node);
            }
        }
        self
    }
}

fn main() {
    let mut ll = LinkedList::new();
    ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
    print!("{ll:?}"); // LinkedList { head: Some(Node { data: 1, next: Some(Node { data: 2, next: Some(Node { data: 3, next: Some(Node { data: 4, next: Some(Node { data: 5, next: None }) }) }) }) }) }
}

4.為鏈表實現(xiàn)Display trait定制鏈表的打印顯示

前面我們實現(xiàn)了鏈表頭部插入節(jié)點的prepend方法，并在main函數(shù)中構(gòu)建了一個鏈表，以Debug的形式打印出了鏈表的信息。

為了使打印信息更好看，我們決定為LinkedList實現(xiàn)Display trait，使鏈表打印的格式類似為1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None。

代碼片段6:

use std::fmt::Display;

......

impl Display for LinkedList {
    fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
        if self.head.is_none() {
            // 如果鏈表為空, 只打印None
            write!(f, "None\n")?;
        } else {
            // 下面將遍歷鏈表, 因為只是打印, 能獲取鏈表各個節(jié)點的數(shù)據(jù)就行, 所以不需要獲取所有權(quán)
            let mut next = self.head.as_ref();
            while let Some(node) = next {
                write!(f, "{} -> ", node.data)?;
                next = node.next.as_ref();
            }
            write!(f, "None\n")?;
        }
        Ok(())
    }
}

fn main() {
    let mut ll = LinkedList::new();
    ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
    print!("{ll}"); // 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None
}

5.為鏈表實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)鏈表功能的reverse方法

代碼片段7:

impl LinkedList {
    ......

    /// 翻轉(zhuǎn)鏈表
    fn reverse(&mut self) {
        let mut prev = None; // 記錄遍歷鏈表時的前一個節(jié)點
        while let Some(mut node) = self.head.take() {
            self.head = node.next;
            node.next = prev;
            prev = Some(node);
        }
        self.head = prev;
    }
}

fn main() {
    let mut ll = LinkedList::new();
    ll.prepend(5).prepend(4).prepend(3).prepend(2).prepend(1);
    println!("{ll}"); // 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> None
    ll.reverse(); // 5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 -> None
    println!("{ll}");
}

當(dāng)前標(biāo)題：用Rust實現(xiàn)簡單的單鏈表
文章起源：http://www.dlmjj.cn/article/dpggccp.html