Rust固定容量向量库fixed-capacity-vec的使用：高效内存管理下的定长数组解决方案

介绍

fixed-capacity-vec是一个Rust库，提供了固定容量的向量实现。与标准库中的Vec不同，fixed-capacity-vec在创建时就分配了固定大小的内存，不会动态扩容，这使得它在需要确定内存使用量的场景下非常有用。

主要特点：

• 预先分配固定容量，运行时不会重新分配内存
• 与Vec类似的API接口
• 更可预测的内存使用模式
• 适合嵌入式系统或性能敏感场景

安装

在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
fixed-capacity-vec = "0.1"

基本使用方法

创建固定容量向量

use fixed_capacity_vec::FixedCapacityVec;

// 创建一个容量为10的固定向量
let mut vec = FixedCapacityVec::<i32, 10>::new();

添加元素

vec.push(1);
vec.push(2);
vec.push(3);

assert_eq!(vec.len(), 3);

访问元素

// 通过索引访问
let first = vec[0];  // 1

// 使用get方法，返回Option
let fourth = vec.get(3);  // None

迭代

for item in &vec {
    println!("{}", item);
}

容量检查

assert_eq!(vec.capacity(), 10);  // 固定容量
assert!(!vec.is_full());         // 是否已满

// 填充剩余空间
while !vec.is_full() {
    vec.push(42);
}

assert!(vec.is_full());

高级用法

从数组初始化

let mut vec = FixedCapacityVec::from_array([1, 2, 3, 4, 5]);

转换为数组

let array: [i32; 5] = vec.into_array().unwrap();

使用try_push处理已满情况

let mut vec = FixedCapacityVec::<i32, 3>::new();
vec.try_push(1).unwrap();
vec.try_push(2).unwrap();
vec.try_push(3).unwrap();

if let Err(e) = vec.try_push(4) {
    println!("Vector is full: {}", e);
}

性能考虑

fixed-capacity-vec在以下场景特别有用：

• 避免动态分配的开销
• 需要确保内存使用不会超过特定限制
• 嵌入式系统等资源受限环境

与标准Vec的对比

use std::time::Instant;
use fixed_capacity_vec::FixedCapacityVec;

fn main() {
    const SIZE: usize = 100_000;
    
    // 测试标准Vec
    let start = Instant::now();
    let mut std_vec = Vec::with_capacity(SIZE);
    for i in 0..SIZE {
        std_vec.push(i);
    }
    println!("Std Vec took: {:?}", start.elapsed());
    
    // 测试FixedCapacityVec
    let start = Instant::now();
    let mut fixed_vec = FixedCapacityVec::<usize, SIZE>::new();
    for i in 0..SIZE {
        fixed_vec.push(i);
    }
    println!("Fixed Vec took: {:?}", start.elapsed());
}

在不需要动态扩容的场景下，fixed-capacity-vec通常能提供更稳定的性能表现。

完整示例代码

use fixed_capacity_vec::FixedCapacityVec;
use std::time::Instant;

fn main() {
    // 示例1: 基本使用
    let mut vec = FixedCapacityVec::<i32, 5>::new();
    
    // 添加元素
    vec.push(10);
    vec.push(20);
    vec.push(30);
    
    // 访问元素
    println!("第一个元素: {}", vec[0]);  // 10
    println!("第三个元素: {:?}", vec.get(2));  // Some(30)
    println!("第六个元素: {:?}", vec.get(5));  // None
    
    // 迭代
    println!("所有元素:");
    for num in &vec {
        println!("{}", num);
    }
    
    // 示例2: 高级用法
    let mut vec2 = FixedCapacityVec::from_array([1, 2, 3]);
    println!("从数组创建后的长度: {}", vec2.len());  // 3
    
    // 尝试添加元素
    match vec2.try_push(4) {
        Ok(_) => println!("添加成功"),
        Err(e) => println!("添加失败: {}", e),  // 根据容量不同结果不同
    }
    
    // 转换为数组
    if let Ok(arr) = vec2.into_array() {
        println!("转换后的数组: {:?}", arr);
    }
    
    // 示例3: 性能比较
    const SIZE: usize = 100_000;
    
    let start = Instant::now();
    let mut std_vec = Vec::with_capacity(SIZE);
    for i in 0..SIZE {
        std_vec.push(i);
    }
    println!("标准Vec耗时: {:?}", start.elapsed());
    
    let start = Instant::now();
    let mut fixed_vec = FixedCapacityVec::<usize, SIZE>::new();
    for i in 0..SIZE {
        fixed_vec.push(i);
    }
    println!("FixedCapacityVec耗时: {:?}", start.elapsed());
    
    // 示例4: 嵌入式系统场景
    let mut sensor_data = FixedCapacityVec::<f32, 100>::new();
    for _ in 0..100 {
        sensor_data.push(0.0);  // 初始化传感器数据缓冲区
    }
    println!("传感器缓冲区大小: {}", sensor_data.capacity());  // 100
}

这个完整示例演示了：

1. 基本使用方法（创建、添加、访问、迭代）
2. 高级用法（从数组创建、try_push、转换为数组）
3. 性能比较测试
4. 嵌入式系统应用场景

所有代码都包含注释说明每个部分的用途和预期输出。