【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

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【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

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【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

文章目录

  • Rust迭代器
    • 1. 迭代器基础
      • 1.1 什么是迭代器
      • 1.2 创建迭代器
      • 1.3 使用迭代器
      • 2. 迭代器适配器
        • 2.1 map
        • 2.2 filter
        • 2.3 filter_map
        • 2.4 flat_map
        • 2.5 take和take_while
        • 2.6 skip和skip_while
        • 2.7 zip
        • 2.8 enumerate
        • 2.9 chain
        • 2.10 cycle
        • 3. 消费迭代适配器
          • 3.1 collect
          • 3.2 fold
          • 3.3 any和all
          • 3.4 find和position
          • 3.6 max和min
          • 3.7 sum和product
          • 3.8 count
          • 3.9 last和nth
          • 4. 高级迭代器用法
            • 4.1 自定义迭代器
            • 4.2 Peekable迭代器
            • 4.3 迭代器性能
            • 4.4 并行迭代器
            • 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
              • 2)使用for_each代替for循环:在某些情况下可能更高效
              • 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
              • 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
                • 2)所有权问题:into_iter()会获取所有权
                • 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
                • 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
                • 7. 总结

                  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; 
                      // 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);
                  }
                  

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                  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
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                      }
                  }
                  

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                  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));
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  也可以手动调用next()方法:

                  返回的是Option

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                  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

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                  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);
                  

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                  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);
                  

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                  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 = strings
                      .iter()
                      .filter_map(|s| s.parse().ok())
                      .collect();
                  println!("{:?}", numbers);
                  

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                  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);
                  

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                  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);
                  }
                  

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                  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  
                  

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                  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  
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  }
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  }
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  }
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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 = nums.map(|x| x * x).collect();
                  println!("{:?}", squared);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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::(); //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::(); //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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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,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u32
                      fn next(&mut self) -> Option {
                          //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None
                          if self.count  
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                      }
                  }
                  
                  1. 合并连续重复项

                    处理连续重复的元素:

                  fn dedup_adjacent(iter: I) -> impl Iterator {
                      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
                      })
                  }
                  
                  1. 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 {
                      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
                  }
                  
                  1. 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4
                          continue;
                      }
                      result.push(num);
                  }
                  
                  1. 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 {
                      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);
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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);
                  }
                  

                  【Rust迭代器】Rust迭代器用法解析与应用实战

                  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::();
                  

                  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。

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