Rust中的閉包：更快更安全

引子

Rust對函數(shù)式編程有著非常良好的支持，從閉包這一特性就能看出來歉糜，它不僅實現(xiàn)了經(jīng)典的功能和語義，還派生出Fn, FnOnce, FnMut這幾個trait幫助我們處理變量的所有權(quán)和引用的問題望众。

然而在這里匪补，要重述一個事實，以防讀者把在學(xué)習(xí)其他語言時產(chǎn)生的偏見帶入Rust：閉包不等于匿名函數(shù)烂翰，它的正式定義為

Operationally, a closure is a record storing a function together with an environment. ...

即閉包等于: “匿名”函數(shù) + 從閉包外部(還是在當前作用域內(nèi))捕捉的變量夯缺，連同整個作用域一起，稱之為環(huán)境(environment)甘耿。簡單一點說踊兜，就是延伸了作用域的函數(shù)，其中包含了在函數(shù)主體中使用卻未在函數(shù)簽名中定義的變量佳恬。而函數(shù)是否匿名根本無關(guān)緊要捏境。

Rust的閉包的完整語法格式為：|param: type| -> return type { func body }

其中||為閉包接受參數(shù)的地方，如果你調(diào)用了該閉包毁葱，得益于Rust的類型推導(dǎo)垫言，參數(shù)類型和返回類型可以省略，否則不可省略倾剿。當函數(shù)主體只有一句時筷频，可以省略那對花括號。

比如，一個簡單的閉包：返回一個它接受的值：

let origin = |z| z;
let eight = origin(8);// eight: 8
let text = origin("text"); // compile error

值得注意的是截驮，只要閉包的類型確定(不管是在類型推導(dǎo)后確定的還是最初就定義好的)笑陈，就不能改變。

在深入講解Rust的閉包之前葵袭，我們先看看在有垃圾回收(garbage collection)的語言中涵妥，閉包是什么樣的。

# Python3: 一個計算平均值的函數(shù)
def cal_avg():
    useless_value = "I'm useless"
    cnt = 0                          #----------closure start----------#
    total = 0
    def average(new_value):
        nonlocal cnt, total
        cnt += 1
        total += new_value
        return total/cnt   #----------closure end----------#
    return average

def main():
    avg = cal_avg()
    print(avg(10)) // 10.0
    avg(5)         // 7.5
    print(avg(3))  // 6.0
if __name__ == "__main__":
    main()

在Python中坡锡，我們使用nonlocal來聲明捕獲的變量蓬网，否則就當作是局部變量使用。在這個例子中鹉勒，average函數(shù)捕獲了變量cnt和total帆锋，此外，在函數(shù)cal_avg內(nèi)部禽额，還定義了一個局部變量useless_value锯厢，這是為了說明普通的局部變量和被閉包引用的變量有什么不同，我們知道脯倒，一旦一個對象的引用計數(shù)為0時实辑，它就不能再被獲取(弱引用除外)，就會被當作垃圾而回收掉以釋放資源藻丢，很顯然剪撬，在一個函數(shù)被調(diào)用完成后，除了返回值悠反，其他所有局部變量都不可獲取残黑，但是閉包引用的值仍然沒有被回收，這是因為斋否，變量avg引用了函數(shù)值cal_avg()即內(nèi)部的average函數(shù)梨水，所以變量total和cnt一直都在被引用，這才沒有被當作垃圾回收如叼。

Rust沒有垃圾回收冰木，那是如何設(shè)計的呢？

借用

假設(shè)現(xiàn)在有一個描述城市的City結(jié)構(gòu)體笼恰，包含這座城市的名字踊沸，人口數(shù)量，所在國家等等信息社证，那么它的定義應(yīng)該如下：

struct City {
    name: String,
    country: String,
    population: f64,
  ...
}

假設(shè)我們現(xiàn)在有幾個類型為City的值:new_york, seattle, london,組成的向量表：

const new_york = City {
    name: "New York".to_string(),
    country: "USA".to_string(),
    population: 851e4,
}

const seattle = City {
    name: "Seattle".to_string(),
    country: "USA".to_string(),
    population: 478e4,
}

const london = City {
    name: "London".to_string(),
    country: "UK".to_string(),
    population: 890e4,
}

fn main() {
    let mut city_list = vec![new_york, seattle, london];
}

我們想按照城市的人口數(shù)量的由多到少來為它進行排序逼龟，那么可以這么寫：

fn sort_cities(cities: &mut Vec<City>, stat: Statistic) {
    cities.sort_by_key(|city| -city.get_statistic(stat)); // borrow a shared reference to stat
    println("{:?}", stat); // still fine
}

注意，閉包在這里使用了stat這個變量追葡，而這個變量是在外部的函數(shù)中定義的腺律。我們說閉包的這一行為是：捕捉變量奕短。在這種情況下，它自動借用了stat的引用匀钧，理由很簡單：因為閉包捕獲了這個值翎碑，所以必然存在對它的引用。

移動

我們還可以把變量的所有權(quán)轉(zhuǎn)移到閉包中之斯，為此日杈，使用關(guān)鍵字move：

fn sort_cities(cities: &mut Vec<City>, stat: Statistic) {
    cities.sort_by_key(move |city| -city.get_statistic(stat)); // move the ownership of stat to the closure
    println!("{:?}", stat);// compile error! used moved value `stat`
  
    // If Statistic implements Copy, then stat is still avaiable
    println!("{:?}", stat);// It's fine
}

當然，如果閉包中捕獲的變量實現(xiàn)了Copy的trait佑刷，閉包會復(fù)制它而不是移動莉擒。

簡而言之，Rust使用了生命周期而不是垃圾回收保證了安全性瘫絮，然而涨冀，Rust的方法卻快的多：甚至是快速垃圾回收都要比在存儲在棧上的stat這種情況要慢一些，而Rust正是這樣做的麦萤。

函數(shù)和閉包類型

函數(shù)和閉包都有各自的類型鹿鳖，舉例來說：

fn insertion_sort(param: &mut Vec<i32>) {
    unimplemented!()
}


let num = vec![1, 2, 3];
let print_num_vector = |param| {
    for i in param {
        println!("{}", i);
    }
};

print_num_vector(&num); 

fn take_closure(closure: impl Fn(&Vec<i32>)) {
    unimplemented!();
}

上面這個函數(shù)的類型是：fn(&mut Vec<i32>)，而我們描述閉包的類型時壮莹，是使用Fn, FnOnce和FnMut這幾個trait去描述它們的

但是栓辜，take_closure這個函數(shù)也可以接受一個函數(shù)作為參數(shù)，而fn()->()這種形式只適用于函數(shù)垛孔。

`Fn`, `FnOnce`, `FnMut`

當一個閉包中只有對捕獲變量的不可變引用時，我們說它實現(xiàn)了Fn這個trait施敢。
當一個閉包中發(fā)生了變量所有權(quán)的移動或者是某些值被消耗掉周荐，drop, 我們說它實現(xiàn)的是FnOnce這個trait，即這個閉包只能使用一次僵娃。所有的函數(shù)和閉包都默認實現(xiàn)了這一trait概作。
當一個閉包中出現(xiàn)了對變量的可變引用時，我們說它實現(xiàn)了FnMut這個trait默怨。

它們?nèi)咧g的關(guān)系可以用集合論的方法來認識讯榕，FnOnce包含FnMut包含Fn。

Rust中的閉包：更快更安全

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借用

移動

函數(shù)和閉包類型

Fn, FnOnce, FnMut

`Fn`, `FnOnce`, `FnMut`