Rust闭包的虫洞穿梭

袁承兴

发布于 2020-09-19 13:54:37

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发布于 2020-09-19 13:54:37

文章被收录于专栏：TensorFlow从0到N + RustTensorFlow从0到N + Rust

1. 闭包是什么

闭包（Closure）的概念由来已久。无论哪种语言，闭包的概念都被以下几个特征共同约束：

匿名函数（非独有，函数指针也可以）；
可以调用闭包，并显式传递参数（非独有，函数指针也可以）；
以变量形式存在，可以传来传去（非独有，函数指针也可以）；
可以在闭包内直接捕获并使用定义所处作用域的值（独有）；

神奇的是最后一点，理解起来也比较别扭的，习惯就好了。

为了说明上述特征，可以看一个Rust例子。

fn display<T>(age: u32, print_info: T)
    where T: Fn(u32)
{
    print_info(age);
}

fn main() {
    let name = String::from("Ethan");

    let print_info_closure = |age|{
        println!("name is {}", name);
        println!("age is {}", age);
    };

    let age = 18;
    display(age, print_info_closure);
}

运行代码：

name is Ethan age is 18

首先，闭包作为匿名函数存在了print_info_closure栈变量中，然后传递给了函数display作为参数，在display内部调用了闭包，并传递了参数age。最后神奇的事情出现了：在函数display中调用的闭包居然打印出了函数main作用域中的变量name。

wormhole

闭包的精髓，就在于它同时涉及两个作用域，就仿佛打开了一个"虫洞"，让不同作用域的变量穿梭其中。

let x_closure = ||{};

单独一行代码，就藏着这个奥妙：

赋值=的左侧，是存储闭包的变量，它处在一个作用域中，也就是我们说的闭包定义处的环境上下文；
赋值=的右侧，那对花括号{}里，也是一个作用域，它在闭包被调用处动态产生；

无论左侧右侧，都定义了闭包的属性，天然的联通了两个作用域。

对于闭包，Rust如此，其他语言也大抵如此。不过，Rust不是还有所有权、生命周期这一档子事儿么，所以还可以深入分析下。

2. Rust闭包捕获上下文的方式

如本篇题目，Rust闭包如何捕获上下文？

换个问法，main作用域中的变量name是以何种方式进入闭包的作用域的（第1节例子）？转移or借用？

It Depends，视情况而定。

Rust在std中定义了3种trait：

FnOnce：闭包内对外部变量存在转移操作，导致外部变量不可用（所以只能call一次）；
FnMut：闭包内对外部变量直接使用，并进行修改；
Fn：闭包内对外部变量直接使用，不进行修改；

后者能办到的，前者一定能办到。反之则不然。所以，编译器对闭包签名进行推理时：

实现FnMut的，同时也实现了FnOnce；
实现Fn的，同时也实现了FnMut和FnOnce。

第1节的例子，将display的泛型参数从Fn改成FnMut，也可以无警告通过。

fn display<T>(age: u32, mut print_info: T)
    where T: FnMut(u32)
{
    print_info(age);
}

对环境变量进行捕获的闭包，需要额外的空间支持才能将环境变量进行存储。

3. 作为参数的闭包签名

上面代码display函数定义，要接受一个闭包作为参数，揭示了如何显式的描述闭包的签名：在泛型参数上添加trait约束，比如T: FnMut(u32)，其中(u32)显式的表示了输入参数的类型。尽管是泛型参数约束，但是函数签名（除了没有函数名）描述还是非常精确的。

顺便说一句，Rust的泛型真的是干了不少事情，除了泛型该干的，还能添加trait约束，还能描述生命周期。

描述签名是一回事，但是谁来定义闭包的签名呢？闭包定义处，我们没有看到任何的类型约束，直接就可以调用。

答案是：闭包的签名，编译器全部一手包办了，它会将首次调用闭包传入参数和返回值的类型，绑定到闭包的签名。这就意味着，一旦闭包被调用过一次后，再次调用闭包时传入的参数类型，就必须是和第一次相同。

传入参数和返回值类型绑定好了，但你心中难免还会有一丝忧愁：描述生命周期的泛型参数肿么办？

Rust编译器也搞得定。

fn main(){
    let lifttime_closure = |a, b|{
        println!("{}", a);
        println!("{}", b);
        b
    };
    let a = String::from("abc");
    let c;
    {
        let b = String::from("xyz");
        c = lifttime_closure(&a, &b);
    }
    println!("{}", c);
}

以上代码无法通过编译，成功检测出了悬垂引用：

error[E0597]: b does not live long enough

显然，对于闭包，编译期可以对引用的生命周期进行检查，以保证引用始终有效。

这个例子，与其解释闭包与函数的区别，不如解释匿名函数与具名函数的区别：

具名函数是签名在先的，对于编译器来说，调用方和函数内部实现，只要分别遵守签名的约定即可。
匿名函数的签名则是被推理出来的，编译器要看全看透调用方的实际输入，以及函数内部的实际返回，检查自然也就顺带做掉了。

4. 函数返回闭包

第1节的例子，我们将一个闭包作为函数参数传入，那么根据闭包的特性，它应该能够作为函数的返回值。答案是肯定的。

基于前面介绍的Fn trait，我们定义一个返回闭包的函数，代码如下：

fn closure_return() -> Fn() -> (){
    ||{}    
}

可是，编译失败了：

error[E0746]: return type cannot have an unboxed trait object doesn't have a size known at compile-time

失败信息显示，编译器无法确定函数返回值的大小。一个闭包有多大呢？并不重要。

开门见山，通用的解决方法是：为了能够返回闭包，可以使用一次装箱，从而将栈内存变量装箱存入堆内存，这样无论闭包有多大，函数返回值都是一个确定大小的指针。下面的代码里，使用Box::new即可完成装箱。

fn closure_inside() -> Box<dyn FnMut() -> ()>
{
    let mut age = 1;
    let mut name = String::from("Ethan");

    let age_closure = move || {
        name.push_str(" Yuan");
        age += 1;
        println!("name is {}", name);
        println!("age is {}", age);
    };

    Box::new(age_closure)
}

fn main(){
    let mut age_closure = closure_inside();
    age_closure();
    age_closure();
}

运行结果如下：