高效地在Vec的中间或开头插入或替换多个元素？

Question

有没有一种简单直接的方法来在线性时间内在&[T]和Vec<T>中插入或替换多个元素，放置在Vec的中间或开头?

我只能找到std::vec::Vec::insert, 但这只能在O(n)时间内插入一个单独的元素，所以显然我不能在循环中调用它。

我可以在那个索引处进行split_off, 将新元素扩展到拆分的左半部分，然后将第二半部分扩展到第一半部分, 但还有更好的方法吗？

- Dogbert

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split_off的时间复杂度为O(n)，就像insert一样。据我所知，对于Vec来说，在任意位置添加元素的所有方法都是O(n)的。更高效的解决“将索引i设置为此项，将j+1设置为j≥i处的项”的方法依赖于BTreeMap，其时间复杂度为O(log n)。 - Thaddee Tyl

Answer 1

截至Rust 1.21.0版，Vec::splice已经可用，并允许在任何位置插入，包括完全前置：

let mut vec = vec![1, 5];
let slice = &[2, 3, 4];

vec.splice(1..1, slice.iter().cloned());

println!("{:?}", vec); // [1, 2, 3, 4, 5]

文档声明：

Note 4: 当且仅当以下条件之一成立时，这是最优的选择：

• 尾部（指向区间后的元素）为空
• 或者replace_with返回的元素数量小于区间长度
• 或其size_hint()的下限是准确的。

在这种情况下，切片迭代器的下限应该是准确的，因此它只需要执行一次内存移动。

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splice更强大一些，因为它允许你删除一段值（第一个参数），插入新值（第二个参数），并可选择获取旧值（调用结果）。

替换一组项

let mut vec = vec![0, 1, 5];
let slice = &[2, 3, 4];

vec.splice(..2, slice.iter().cloned());

println!("{:?}", vec); // [2, 3, 4, 5]

获取之前的值

let mut vec = vec![0, 1, 2, 3, 4];
let slice = &[9, 8, 7];

let old: Vec<_> = vec.splice(3.., slice.iter().cloned()).collect();

println!("{:?}", vec); // [0, 1, 2, 9, 8, 7]
println!("{:?}", old); // [3, 4]

- Shepmaster

Answer 2

好的，Vec接口中似乎没有适当的方法（据我所见）。但我们总是可以自己实现相同的功能。

memmove

当T是Copy时，可能最明显的方法是移动内存，就像这样：

fn push_all_at<T>(v: &mut Vec<T>, offset: usize, s: &[T]) where T: Copy {
    match (v.len(), s.len()) {
        (_, 0) => (),
        (current_len, _) => {
            v.reserve_exact(s.len());
            unsafe {
                v.set_len(current_len + s.len());
                let to_move = current_len - offset;
                let src = v.as_mut_ptr().offset(offset as isize);
                if to_move > 0 {
                    let dst = src.offset(s.len() as isize);
                    std::ptr::copy_memory(dst, src, to_move);
                }
                std::ptr::copy_nonoverlapping_memory(src, s.as_ptr(), s.len());
            }
        },
    }
}

洗牌

如果T不是可复制的，但它实现了Clone，我们可以将给定的切片附加到Vec的末尾，并使用线性时间内的swap将其移动到所需位置：

fn push_all_at<T>(v: &mut Vec<T>, mut offset: usize, s: &[T]) where T: Clone + Default {
    match (v.len(), s.len()) {
        (_, 0) => (),
        (0, _) => { v.push_all(s); },
        (_, _) => {
            assert!(offset <= v.len());
            let pad = s.len() - ((v.len() - offset) % s.len());
            v.extend(repeat(Default::default()).take(pad));
            v.push_all(s);
            let total = v.len();
            while total - offset >= s.len() {
                for i in 0 .. s.len() { v.swap(offset + i, total - s.len() + i); }
                offset += s.len();
            }
            v.truncate(total - pad);
        },
    }
}

迭代器连接

也许最好的选择是不对 Vec 进行任何修改。比如，如果你打算通过迭代器来访问结果，我们可以从我们的块中构建迭代器链：

let v: &[usize] = &[0, 1, 2];
let s: &[usize] = &[3, 4, 5, 6];
let offset = 2;
let chain = v.iter().take(offset).chain(s.iter()).chain(v.iter().skip(offset));

let result: Vec<_> = chain.collect();
println!("Result: {:?}", result);

- swizard

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对于第三个解决方案，您可以使用 split_at 而不是 skip。 - Shepmaster

是的，但为了防止运行时恐慌，它将需要额外的“偏移量< len（）”检查。 - swizard

Answer 3

我正在尝试在Rust中预先添加向量，并发现链接到此处的此关闭问题，（尽管这个问题是关于同时预先添加和插入以及效率的。我认为我的答案作为对那个更准确的问题的回答会更好，因为我无法证明效率），但以下代码帮助我预先添加（和相反）。[我相信其他两个答案更有效率，但是按照我的学习方式，我喜欢有可以剪切粘贴的答案和演示答案应用的示例。]

pub trait Unshift<T> { fn unshift(&mut self, s: &[T]) -> (); }
pub trait UnshiftVec<T> { fn unshift_vec(&mut self, s: Vec<T>) -> (); }
pub trait UnshiftMemoryHog<T> { fn unshift_memory_hog(&mut self, s: Vec<T>) -> (); }
pub trait Shift<T> { fn shift(&mut self) -> (); }
pub trait ShiftN<T> { fn shift_n(&mut self, s: usize) -> (); }

impl<T: std::clone::Clone> ShiftN<T> for Vec<T> {
    fn shift_n(&mut self, s: usize) -> ()
    // where
    //    T: std::clone::Clone,
    {   
        self.drain(0..s);
    }
}

impl<T: std::clone::Clone> Shift<T> for Vec<T> {
    fn shift(&mut self) -> ()
    // where
    //    T: std::clone::Clone,
    {   
        self.drain(0..1);
    }
}

impl<T: std::clone::Clone> Unshift<T> for Vec<T> {
    fn unshift(&mut self, s: &[T]) -> ()
    // where
    //    T: std::clone::Clone,
    {   
        self.splice(0..0, s.to_vec());
    }
}
impl<T: std::clone::Clone> UnshiftVec<T> for Vec<T> {
    fn unshift_vec(&mut self, s: Vec<T>) -> ()
    where
        T: std::clone::Clone,
    {   
        self.splice(0..0, s);
    }
}

impl<T: std::clone::Clone> UnshiftMemoryHog<T> for Vec<T> {
    fn unshift_memory_hog(&mut self, s: Vec<T>) -> ()
    where
        T: std::clone::Clone,
    {
        let mut tmp: Vec<_> = s.to_owned();
        //let mut tmp: Vec<_> = s.clone(); // this also works for some data types
        /*
        let local_s: Vec<_> = self.clone(); // explicit clone()
        tmp.extend(local_s);                // to vec is possible
        */
        tmp.extend(self.clone());
        *self = tmp;
        //*self = (*tmp).to_vec(); // Just because it compiles, doesn't make it right.
    }
}

// this works for: v = unshift(v, &vec![8]);
// (If you don't want to impl Unshift for Vec<T>)

#[allow(dead_code)]
fn unshift_fn<T>(v: Vec<T>, s: &[T]) -> Vec<T>
where
    T: Clone,
{
    // create a mutable vec and fill it
    // with a clone of the array that we want
    // at the start of the vec.
    let mut tmp: Vec<_> = s.to_owned();
    // then we add the existing vector to the end
    // of the temporary vector.
    tmp.extend(v);
    // return the tmp vec that is identitcal
    // to unshift-ing the original vec.
    tmp
}

/*
    N.B. It is sometimes (often?) more memory efficient to reverse
    the vector and use push/pop, rather than splice/drain;
    Especially if you create your vectors in "stack order" to begin with.
*/

fn main() {
    let mut v: Vec<usize> = vec![1, 2, 3];
    println!("Before push:\t {:?}", v);
    v.push(0);
    println!("After push:\t {:?}", v);
    v.pop();
    println!("popped:\t\t {:?}", v);
    v.drain(0..1);
    println!("drain(0..1)\t {:?}", v);
    /*
        // We could use a function
    let c = v.clone();
    v = unshift_fn(c, &vec![0]);
    */
    v.splice(0..0, vec![0]);
    println!("splice(0..0, vec![0]) {:?}", v);
    v.shift_n(1);
    println!("shift\t\t {:?}", v);
    v.unshift_memory_hog(vec![8, 16, 31, 1]);
    println!("MEMORY guzzler unshift {:?}", v);
    //v.drain(0..3);
    v.drain(0..=2);
    println!("back to the start: {:?}", v);
    v.unshift_vec(vec![0]);
    println!("zerothed with unshift: {:?}", v);

    let mut w = vec![4, 5, 6];
    /*
    let prepend_this = &[1, 2, 3];
    w.unshift_vec(prepend_this.to_vec());
    */
    w.unshift(&[1, 2, 3]);

    assert_eq!(&w, &[1, 2, 3, 4, 5, 6]);
    println!("{:?} == {:?}", &w, &[1, 2, 3, 4, 5, 6]);
}

- Alexx Roche

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在你的unshift中，我认为使用s.iter().cloned()会更好，因为这样可以避免分配中间向量。 - Raph Levien

这些大多数看起来像是不必要的命名版本splice，而已经在被接受的回答中提到了，那么这个回答的点在哪里呢？当你已经可以编写.splice(..0, v)时，你真的需要编写.unshift_vec(v)吗？ - trent

我对这段代码有更多的想法，所以我将它们编译成了一个playground。 - trent

作为一个几十年来习惯于 push/pop 被 unshift/shift 镜像的人，这就是我学习 Rust 习惯用法的方式。也许它能帮助其他总是愿意学习的人。 - Alexx Roche

@trentcl 我发现你的游乐场非常有帮助。谢谢。 - Alexx Roche