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Rust閉包的蟲洞穿梭

1. 閉包是什么

閉包(Closure)的概念由來已久。無論哪種語言，閉包的概念都被以下幾個(gè)特征共同約束：

  • 匿名數(shù)函(非獨(dú)有，函數(shù)指針也可以);
  • 可以調(diào)用閉包，并顯式傳遞參數(shù)(非獨(dú)有，函數(shù)指針也可以);
  • 以變量形式存在，可以傳來傳去(非獨(dú)有，函數(shù)指針也可以);
  • 可以在閉包內(nèi)直接捕獲并使用定義所處作用域的值(獨(dú)有);

神奇的是最后一點(diǎn)，理解起來也比較別扭的，習(xí)慣就好了。

為了說明上述特征，可以看一個(gè)Rust例子。

 
 
    
  
  
  1. fn display(age: u32, print_info: T)
    2. 
  
  
  2.     where T: Fn(u32)
    3. 
  
  
  3. {    print_info(age);}fn main() {
    4. 
  
  
  4.     let name = String::from("Ethan");
    5. 
  
  
  5.     let print_info_closure = |age|{
    6. 
  
  
  6.         println!("name is {}", name);
    7. 
  
  
  7.         println!("age is {}", age);
    8. 
  
  
  8.     };    let age = 18;
    9. 
  
  
  9.     display(age, print_info_closure);}
    10.

運(yùn)行代碼：

 
 
    
  
  
  1. name is Ethan 
    2. 
  
  
  2. age is 18
    3.

首先，閉包作為匿名函數(shù)存在了print_info_closure棧變量中，然后傳遞給了函數(shù)display作為參數(shù)，在display內(nèi)部調(diào)用了閉包，并傳遞了參數(shù)age。最后神奇的事情出現(xiàn)了：在函數(shù)display中調(diào)用的閉包居然打印出了函數(shù)main作用域中的變量name。

閉包的精髓，就在于它同時(shí)涉及兩個(gè)作用域，就仿佛打開了一個(gè)"蟲洞"，讓不同作用域的變量穿梭其中。

 
 
    
  
  
  1. let x_closure = ||{};
    2.

單獨(dú)一行代碼，就藏著這個(gè)奧妙：

  • 賦值=的左側(cè)，是存儲(chǔ)閉包的變量，它處在一個(gè)作用域中，也就是我們說的閉包定義處的環(huán)境上下文;
  • 賦值=的右側(cè)，那對(duì)花括號(hào){}里，也是一個(gè)作用域，它在閉包被調(diào)用處動(dòng)態(tài)產(chǎn)生;

無論左側(cè)右側(cè)，都定義了閉包的屬性，天然的聯(lián)通了兩個(gè)作用域。

對(duì)于閉包，Rust如此，其他語言也大抵如此。不過，Rust不是還有所有權(quán)、生命周期這一檔子事兒么，所以還可以深入分析下。

2. Rust閉包捕獲上下文的方式

Rust閉包如何捕獲上下文?

換個(gè)問法，main作用域中的變量name是以何種方式進(jìn)入閉包的作用域的(第1節(jié)例子)?轉(zhuǎn)移or借用?

It Depends，視情況而定。

Rust在std中定義了3種trait：

  • FnOnce：閉包內(nèi)對(duì)外部變量存在轉(zhuǎn)移操作，導(dǎo)致外部變量不可用(所以只能call一次);
  • FnMut：閉包內(nèi)對(duì)外部變量直接使用，并進(jìn)行修改;
  • Fn：閉包內(nèi)對(duì)外部變量直接使用，不進(jìn)行修改;

后者能辦到的，前者一定能辦到。反之則不然。所以，編譯器對(duì)閉包簽名進(jìn)行推理時(shí)：

  • 實(shí)現(xiàn)FnMut的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了FnOnce;
  • 實(shí)現(xiàn)Fn的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了FnMut和FnOnce。

第1節(jié)的例子，將display的泛型參數(shù)從Fn改成FnMut，也可以無警告通過。

 
 
    
  
  
  1. fn display(age: u32, mut print_info: T)
    2. 
  
  
  2.     where T: FnMut(u32)
    3. 
  
  
  3. {    print_info(age);}
    4.

對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行捕獲的閉包，需要額外的空間支持才能將環(huán)境變量進(jìn)行存儲(chǔ)。

3. 作為參數(shù)的閉包簽名

上面代碼display函數(shù)定義，要接受一個(gè)閉包作為參數(shù)，揭示了如何顯式的描述閉包的簽名：在泛型參數(shù)上添加trait約束，比如T: FnMut(u32)，其中(u32)顯式的表示了輸入?yún)?shù)的類型。盡管是泛型參數(shù)約束，但是函數(shù)簽名(除了沒有函數(shù)名)描述還是非常精確的。

順便說一句，Rust的泛型真的是干了不少事情，除了泛型該干的，還能添加trait約束，還能描述生命周期。

描述簽名是一回事，但是誰來定義閉包的簽名呢?閉包定義處，我們沒有看到任何的類型約束，直接就可以調(diào)用。

答案是：閉包的簽名，編譯器全部一手包辦了，它會(huì)將首次調(diào)用閉包傳入?yún)?shù)和返回值的類型，綁定到閉包的簽名。這就意味著，一旦閉包被調(diào)用過一次后，再次調(diào)用閉包時(shí)傳入的參數(shù)類型，就必須是和第一次相同。

傳入?yún)?shù)和返回值類型綁定好了，但你心中難免還會(huì)有一絲憂愁：描述生命周期的泛型參數(shù)腫么辦?

Rust編譯器也搞得定。

 
 
    
  
  
  1. fn main(){
    2. 
  
  
  2.         let lifttime_closure = |a, b|{
    3. 
  
  
  3.         println!("{}", a);
    4. 
  
  
  4.         println!("{}", b);
    5. 
  
  
  5.         b    };    let a = String::from("abc");
    6. 
  
  
  6.     let c;
    7. 
  
  
  7.     {        let b = String::from("xyz");
    8. 
  
  
  8.         c = lifttime_closure(&a, &b);    }    println!("{}", c);
    9. 
  
  
  9. }
    10.

以上代碼無法通過編譯，成功檢測(cè)出了懸垂引用：

 
 
    
  
  
  1. error[E0597]: b does not live long enough
    2.

顯然，對(duì)于閉包，編譯期可以對(duì)引用的生命周期進(jìn)行檢查，以保證引用始終有效。

這個(gè)例子，與其解釋閉包與函數(shù)的區(qū)別，不如解釋匿名函數(shù)與具名函數(shù)的區(qū)別：

  • 具名函數(shù)是簽名在先的，對(duì)于編譯器來說，調(diào)用方和函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只要分別遵守簽名的約定即可。
  • 匿名函數(shù)的簽名則是被推理出來的，編譯器要看全看透調(diào)用方的實(shí)際輸入，以及函數(shù)內(nèi)部的實(shí)際返回，檢查自然也就順帶做掉了。

4. 函數(shù)返回閉包

第1節(jié)的例子，我們將一個(gè)閉包作為函數(shù)參數(shù)傳入，那么根據(jù)閉包的特性，它應(yīng)該能夠作為函數(shù)的返回值。答案是肯定的。

基于前面介紹的Fn trait，我們定義一個(gè)返回閉包的函數(shù)，代碼如下：

 
 
    
  
  
  1. fn closure_return() -> Fn() -> (){
    2. 
  
  
  2.     ||{}    }
    3.

可是，編譯失敗了：

 
 
    
  
  
  1. error[E0746]: return type cannot have an unboxed trait object 
    2. 
  
  
  2. doesn't have a size known at compile-time
    3.

失敗信息顯示，編譯器無法確定函數(shù)返回值的大小。一個(gè)閉包有多大呢?并不重要。

開門見山，通用的解決方法是：為了能夠返回閉包，可以使用一次裝箱，從而將棧內(nèi)存變量裝箱存入堆內(nèi)存，這樣無論閉包有多大，函數(shù)返回值都是一個(gè)確定大小的指針。下面的代碼里，使用Box::new即可完成裝箱。

 
 
    
  
  
  1. fn closure_inside() -> Box ()>
    2. 
  
  
  2. {    let mut age = 1;
    3. 
  
  
  3.     let mut name = String::from("Ethan");
    4. 
  
  
  4.     let age_closure = move || {
    5. 
  
  
  5.         name.push_str(" Yuan");
    6. 
  
  
  6.         age += 1;
    7. 
  
  
  7.         println!("name is {}", name);
    8. 
  
  
  8.         println!("age is {}", age);
    9. 
  
  
  9.     };    Box::new(age_closure)
    10. 
  
  
  10. }fn main(){
    11. 
  
  
  11.     let mut age_closure = closure_inside();
    12. 
  
  
  12.     age_closure();    age_closure();}
    13.

運(yùn)行結(jié)果如下：

  • name is Ethan Yuan
  • age is 2
  • name is Ethan Yuan Yuan
  • age is 3

上面的代碼，除了讓函數(shù)成功返回閉包之外，還有一個(gè)目的，我們想讓閉包捕獲函數(shù)內(nèi)部環(huán)境中的值，但這次有些不同：

  • 第1節(jié)代碼示例，我們把外層的環(huán)境上下文，通過將閉包傳入內(nèi)層函數(shù)，這個(gè)不難理解，因?yàn)橥鈱幼兞康纳芷诟L(zhǎng)，內(nèi)層函數(shù)訪問時(shí)，外層變量還活著;
  • 而本節(jié)代碼所做的，是通過閉包將內(nèi)層函數(shù)的環(huán)境變量傳出來給外層環(huán)境;

內(nèi)層函數(shù)調(diào)用完成后就會(huì)銷毀內(nèi)層環(huán)境變量，那如何做到呢?幸好，Rust有所有權(quán)轉(zhuǎn)移。只要能促成內(nèi)層函數(shù)的環(huán)境變量向閉包進(jìn)行所有權(quán)的轉(zhuǎn)移，這個(gè)操作順理成章。

正因?yàn)镽ust具有所有權(quán)轉(zhuǎn)移的概念，返回閉包(同時(shí)捕獲環(huán)境變量)的機(jī)理，Rust的要比任何具有垃圾回收語言(JavaScript、Java、C#)的解釋都更簡(jiǎn)單明了。后者總會(huì)給人一絲不安：內(nèi)部函數(shù)調(diào)用都結(jié)束了，居然局部變量還活著。

代碼中的所有權(quán)轉(zhuǎn)移，這里使用了關(guān)鍵字move，它可以在構(gòu)建閉包時(shí)，強(qiáng)制將要捕獲變量的所有權(quán)轉(zhuǎn)移至閉包內(nèi)部的特別存儲(chǔ)區(qū)。需要注意的是，使用move，并不影響閉包的trait，本例中可以看到閉包是FnMut，而不是FnOnce。


網(wǎng)站題目：Rust閉包的蟲洞穿梭
文章起源：http://www.dlmjj.cn/article/codsjic.html