The Rust Programming Language

高级函数与闭包

本节探讨与函数和闭包相关的一些高级特性，包括函数指针和返回闭包。

函数指针

我们已经讨论过如何将闭包传递给函数；你也可以将常规函数传递给函数！当你想要传递一个已经定义好的函数而不是定义一个新的闭包时，这种技术很有用。函数会强制转换为 fn 类型（小写 f），不要与 Fn 闭包 trait 混淆。fn 类型被称为函数指针（function pointer）。使用函数指针传递函数可以让你将函数作为其他函数的参数使用。

指定参数是函数指针的语法类似于闭包，如清单 20-28 所示，我们定义了一个函数 add_one，它将参数加 1。函数 do_twice 接受两个参数：一个函数指针，指向任何接受 i32 参数并返回 i32 的函数；以及一个 i32 值。do_twice 函数调用函数 f 两次，每次传递 arg 值，然后将两次函数调用的结果相加。main 函数使用参数 add_one 和 5 调用 do_twice。

fn add_one(x: i32) -> i32 {
    x + 1
}

fn do_twice(f: fn(i32) -> i32, arg: i32) -> i32 {
    f(arg) + f(arg)
}

fn main() {
    let answer = do_twice(add_one, 5);

    println!("The answer is: {answer}");
}

此代码打印 The answer is: 12。我们指定 do_twice 中的参数 f 是一个 fn，它接受一个 i32 类型的参数并返回一个 i32。然后我们可以在 do_twice 的函数体中调用 f。在 main 中，我们可以将函数名 add_one 作为第一个参数传递给 do_twice。

与闭包不同，fn 是一种类型而不是 trait，因此我们直接指定 fn 作为参数类型，而不是用某个 Fn trait 作为 trait 约束来声明泛型类型参数。

函数指针实现了所有三种闭包 trait（Fn、FnMut 和 FnOnce），这意味着你始终可以将函数指针作为参数传递给期望闭包的函数。最好使用泛型类型和其中一个闭包 trait 来编写函数，这样你的函数就可以接受函数或闭包。

话虽如此，你只想接受 fn 而不接受闭包的一个例子是与没有闭包的外部代码交互时：C 函数可以接受函数作为参数，但 C 没有闭包。

作为一个可以使用内联定义的闭包或命名函数的例子，我们来看一下标准库中 Iterator trait 提供的 map 方法的一个用法。要使用 map 方法将数字向量转换为字符串向量，我们可以使用闭包，如清单 20-29 所示。

fn main() {
    let list_of_numbers = vec![1, 2, 3];
    let list_of_strings: Vec<String> =
        list_of_numbers.iter().map(|i| i.to_string()).collect();
}

或者，我们可以将一个命名函数作为 map 的参数，而不是闭包。清单 20-30 展示了这种形式。

fn main() {
    let list_of_numbers = vec![1, 2, 3];
    let list_of_strings: Vec<String> =
        list_of_numbers.iter().map(ToString::to_string).collect();
}

请注意，我们必须使用在“高级 Trait”部分中讨论的完全限定语法，因为有多个名为 to_string 的函数可用。

在这里，我们使用了定义在 ToString trait 中的 to_string 函数，标准库为任何实现了 Display 的类型实现了该 trait。

回顾第 6 章中的“枚举值”部分，我们定义的每个枚举变体的名称也是一个初始化函数。我们可以将这些初始化函数用作实现闭包 trait 的函数指针，这意味着我们可以将初始化函数指定为接受闭包的方法的参数，如清单 20-31 所示。

fn main() {
    enum Status {
        Value(u32),
        Stop,
    }

    let list_of_statuses: Vec<Status> = (0u32..20).map(Status::Value).collect();
}

在这里，我们通过使用 Status::Value 的初始化函数，使用 map 调用的范围内每个 u32 值创建了 Status::Value 实例。有些人喜欢这种风格，有些人则喜欢使用闭包。它们编译成相同的代码，因此使用你觉得更清晰的风格即可。

返回闭包

闭包由 trait 表示，这意味着你不能直接返回闭包。在大多数情况下，你可能想要返回一个 trait，你可以使用实现了该 trait 的具体类型作为函数的返回值。但通常你不能对闭包这样做，因为它们没有可以返回的具体类型；例如，如果闭包从其作用域捕获了任何值，则不允许使用函数指针 fn 作为返回类型。

相反，你通常会使用我们在第 10 章学到的 impl Trait 语法。你可以使用 Fn、FnOnce 和 FnMut 返回任何函数类型。例如，清单 20-32 中的代码将编译通过。

#![allow(unused)]
fn main() {
fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |x| x + 1
}
}

然而，正如我们在第 13 章的“推断和标注闭包类型”部分中指出的，每个闭包也是其自身的独特类型。如果你需要处理多个具有相同签名但不同实现的函数，则需要对它们使用 trait 对象。考虑如果你编写类似清单 20-33 所示的代码会发生什么。

fn main() {
    let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
    for handler in handlers {
        let output = handler(5);
        println!("{output}");
    }
}

fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |x| x + 1
}

fn returns_initialized_closure(init: i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
    move |x| x + init
}

这里我们有两个函数，returns_closure 和 returns_initialized_closure，它们都返回 impl Fn(i32) -> i32。请注意，它们返回的闭包是不同的，即使它们实现了相同的类型。如果我们尝试编译，Rust 会告诉我们它无法工作：

$ cargo build
   Compiling functions-example v0.1.0 (file:///projects/functions-example)
error[E0308]: mismatched types
  --> src/main.rs:2:44
   |
 2 |     let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
   |                                            ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected opaque type, found a different opaque type
...
 9 | fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
   |                         ------------------- the expected opaque type
...
13 | fn returns_initialized_closure(init: i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
   |                                              ------------------- the found opaque type
   |
   = note: expected opaque type `impl Fn(i32) -> i32`
              found opaque type `impl Fn(i32) -> i32`
   = note: distinct uses of `impl Trait` result in different opaque types

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `functions-example` (bin "functions-example") due to 1 previous error

错误消息告诉我们，每当我们返回 impl Trait 时，Rust 会创建一个唯一的不透明类型（opaque type），这是一种我们无法看到 Rust 为我们构造的细节的类型，也无法猜测 Rust 会生成什么类型来自己编写。因此，即使这些函数返回实现相同 trait Fn(i32) -> i32 的闭包，Rust 为每个函数生成的不透明类型也是不同的。（这类似于 Rust 如何为不同的异步块生成不同的具体类型，即使它们具有相同的输出类型，正如我们在第 17 章的“Pin 类型和 Unpin Trait”中看到的。）我们已经见过这个问题的解决方案几次了：我们可以使用 trait 对象，如清单 20-34 所示。

fn main() {
    let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
    for handler in handlers {
        let output = handler(5);
        println!("{output}");
    }
}

fn returns_closure() -> Box<dyn Fn(i32) -> i32> {
    Box::new(|x| x + 1)
}

fn returns_initialized_closure(init: i32) -> Box<dyn Fn(i32) -> i32> {
    Box::new(move |x| x + init)
}

这段代码将编译通过。有关 trait 对象的更多信息，请参阅第 18 章中的“使用 Trait 对象对共享行为进行抽象”部分。

接下来，让我们看看宏！