Rust 闭包的虫洞穿梭
归去来兮 2020-09-18
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：
- 匿名数函(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。
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
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：
- name is Ethan Yuan
- age is 2
- name is Ethan Yuan Yuan
- age is 3
上面的代码，除了让函数成功返回闭包之外，还有一个目的，我们想让闭包捕获函数内部环境中的值，但这次有些不同：
- 第1节代码示例，我们把外层的环境上下文，通过将闭包传入内层函数，这个不难理解，因为外层变量的生命周期更长，内层函数访问时，外层变量还活着;
- 而本节代码所做的，是通过闭包将内层函数的环境变量传出来给外层环境;
内层函数调用完成后就会销毁内层环境变量，那如何做到呢?幸好，Rust有所有权转移。只要能促成内层函数的环境变量向闭包进行所有权的转移，这个操作顺理成章。
