Rust點滴: 閉包那點事兒

概述

咱們經常須要回調函數的功能, 須要函數並非在建立時執行, 而是以回調的方式, 在須要的時候延遲執行. 而且, 經常須要在函數中獲取環境中的一些信息, 又不須要將其做爲函數參數傳入. 這種應用場景就須要閉包這一工具了.

閉包是持有外部環境變量的函數. 所謂外部環境, 就是指建立閉包時所在的詞法做用域.

閉包的語法: |params| {expr}

其中params表示向閉包中傳遞的參數, 相似於函數參數. 能夠顯式指定類型, 也可由編譯器自動推導.

expr表示閉包中的各類表達式, 其返回值類型做爲爲閉包的返回值類型.

let a = "hello";
let print = || {println!("{:?}", a);};
print();

上面的代碼段建立了一個閉包, 打印環境變量a的值, 沒有傳入參數, 返回值類型爲().

分類

使用環境變量的方式

Rust中的閉包, 按照對捕獲變量的使用方式, 將閉包分爲三個類型: Fn, FnMut, FnOnce. 其中Fn類型的閉包, 在閉包內部以共享借用的方式使用環境變量; FnMut類型的閉包, 在閉包內部以獨佔借用的方式使用環境變量; 而FnOnce類型的閉包, 在閉包內部以全部者的身份使用環境變量. 因而可知, 根據閉包內使用環境變量的方式, 便可判斷建立出來的閉包的類型.

注意, 對於Copy類型的環境變量, 若是以傳值的方式使用, 其默認的閉包類型是Fn, 而非FnOnce, 而對非Copy的環境變量, 其閉包類型只能是FnOnce.

閉包中環境變量最終的捕獲方式 (即, 是借用, 是複製, 仍是轉移全部權), 還與環境變量自己的語義, 以及閉包是否強制獲取環境變量的全部權有關.

舉例說明:

#![feature(fn_traits)]
fn main() {
    let mut a = 1;
    let mut print = || {
        &a;
    };

    print.call_once(()); // OK
    print.call_mut(()); // OK
    print.call(()); // OK
}

#![feature(fn_traits)]
fn main() {
    let mut a = 1;
    let mut print = || {
        &mut a;
    };

    print.call_once(()); // OK
    print.call_mut(()); // OK
    print.call(()); // error, the requirement to implement `Fn` derives from here
}

#![feature(fn_traits)]
fn main() {
    let mut a = 1;
    let mut print = || {
        a;
    };

    print.call_once(()); // OK
    print.call_mut(()); // OK
    print.call(()); // OK
}

最後這個比較神奇, 印象中覺得Copy和非Copy的環境變量, 而實際上建立的閉包因爲環境變量都是Copy的, 默認實現了Fn. 若是是非Copy的環境變量, 則只能實現FnOnce.

#![feature(fn_traits)]
fn main() {
    let mut a = "str".to_string();
    let mut print = || {
        a;
    };

    print.call_once(()); // OK
    print.call_mut(()); // error, the requirement to implement `FnMut` derives from here
    print.call(()); // error, the requirement to implement `Fn` derives from here
}

是否強制move

在閉包的管道符前面加上move關鍵字, 會強制以傳值的方式捕獲變量. 至因而複製仍是移動, 則與環境變量類型的語義有關. 咱們知道, 一個類型實現Copy, 即爲複製語義. 在做爲右值使用時會將值按位複製. 而未實現Copy的類型即爲移動語義, 做右值使用時會轉移全部權.

舉個例子:

// 沒有強制move, 不強制按值捕獲變量
fn main() {
    let mut a = 1;
    let print = || {
        &a;
    };
    let aa = &mut a; // 這裏編譯報錯, mutable borrow occurs here
    print();
}

之因此聲明可變借用aa編譯報錯, 是由於建立閉包時, 因爲是使用可變借用, 所以默認按可變借用捕獲環境變量a. 咱們知道, 可變借用和不可變借用不能同時使用.

// 強制move, 按值捕獲變量
fn main() {
    let mut a = 1;
    let print = move || { // 這裏添加move, 強制按值捕獲變量
        &a;
    };
    let aa = &mut a; // 這裏不報錯, 由於閉包中複製了a的值
    print();
}

環境變量的語義

雖然環境變量的類型的語義不影響捕獲方式, 但卻會影響建立出來的閉包的性質. 若是全部捕獲的環境變量均爲Copy, 則閉包爲Copy, 不然閉包爲非Copy, 須要移動.

舉個例子:

// 環境變量是Copy, 則閉包是Copy
fn main() {
    let mut a = 1;
    let print = move || {
        a;
    };
    let print2 = print; // 由於閉包只捕獲了a, 而a是i32是Copy的, 因此print是Copy的
    print(); // 這裏沒有發生全部權轉移, 是按位複製, print仍然可用
    print2();
}

// 環境變量非Copy, 則閉包非Copy
fn main() {
    let mut a = 1;
    let mut s = "str".to_string();
    let print = move || {
        a;
        s;
    };
    let print2 = print;
    print(); // 這裏就要報錯了, value used here after move
    print2();
}

用法

閉包的用法在<<Rust編程之道>>這本書中有比較詳細的說明, 主要有兩種用法, 做爲函數參數, 做爲函數返回值. 其中, 做爲函數返回值時, 須要注意FnOnce須要特殊處理, Rust會將其封裝成FnBox, 從而解決閉包trait對象在解引用時的拆箱問題.

其餘

閉包的逃逸性

根據一個閉包是否會逃逸到建立該閉包的詞法做用域以外, 能夠將閉包分爲非逃逸閉包和逃逸閉包.

這兩者最根本的區別在於, 逃逸閉包必須複製或移動環境變量. 這是很顯然的, 若是閉包在詞法做用域以外使用, 而其若是以引用的方式獲取環境變量, 有可能引發懸垂指針問題.

逃逸閉包的類型聲明中, 須要加一個靜態生命週期參數'static.

// 非逃逸閉包, 不按值捕獲環境變量也能夠編譯經過
fn main() {
    let a = 1;
    let c: Box<Fn()> = Box::new(|| {
        &a;
    });
}

// 顯式聲明類型爲逃逸閉包, 不按值捕獲環境變量會編譯失敗
fn main() {
    let a = 1;
    let c: Box<Fn()+'static> = Box::new(|| {
        &a; // error, borrowed value does not live long enough
    });
}

// 顯式聲明類型爲逃逸閉包, 按值捕獲環境變量, 編譯經過
fn main() {
    let a = 1;
    let c: Box<Fn()+'static> = Box::new(move || {
        &a;
    });
}

高階生命週期

主要解決閉包參數中含有引用時的生命週期標註的問題. Rust經過高階trait限定的for<>語法, 解決這一問題.

總結

閉包的幾個關鍵點:

• 閉包如何捕獲環境變量: 與環境變量是否Copy, 是否強制move有關.
• 閉包類型: 與環境變量是否Copy, 環境變量在閉包中的使用方式有關.
• 閉包在什麼時候使用環境變量: 涉及閉包的逃逸性, 逃逸閉包必須傳值.

參考資料

• <<Rust編程之道>>, 張漢東著
• https://github.com/ZhangHanDo...