The Rust Programming Language

高级函数和闭包

本节探讨了一些与函数和闭包相关的高级特性，包括函数指针和返回闭包。

函数指针

我们已经讨论了如何将闭包传递给函数；你也可以将普通函数传递给函数！当你想传递一个已经定义的函数而不是定义一个新的闭包时，这种技术非常有用。函数会强制转换为类型fn（小写的f），不要与Fn闭包特征混淆。fn类型被称为函数指针。通过函数指针传递函数将允许你将函数作为其他函数的参数使用。

指定参数为函数指针的语法与闭包的语法相似，如清单 20-28 所示，我们定义了一个将 1 加到其参数上的函数 add_one。函数 do_twice 接受两个参数：一个指向任何接受 i32 参数并返回 i32 的函数的函数指针，以及一个 i32 值。do_twice 函数调用函数 f 两次，传递给它 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}");
}

这段代码打印 The answer is: 12。我们指定 do_twice 中的参数 f 是一个接受一个 i32 类型参数并返回一个 i32 的 fn。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 do_twice 的第一个参数传递。

与闭包不同，fn 是一个类型而不是特质，因此我们直接将 fn 指定为参数类型，而不是声明一个带有 Fn 特质之一作为特质约束的泛型类型参数。

函数指针实现了所有三个闭包特征（Fn、FnMut 和 FnOnce），这意味着你总是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特征来编写函数，这样你的函数可以接受函数或闭包。

也就是说，一个你只想接受fn而不接受闭包的例子是在与没有闭包的外部代码接口时：C 函数可以接受函数作为参数，但 C 没有闭包。

作为可以使用内联定义的闭包或命名函数的示例，让我们看看标准库中 Iterator 特性提供的 map 方法的用法。为了使用 map 方法将数字向量转换为字符串向量，我们可以使用闭包，如列表 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函数命名为 map 的参数，而不是闭包。 列表 20-30 显示了这将是什么样子。

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，我们必须使用我们在“高级特质”中讨论的完全限定语法，因为有多个名为to_string的函数可用。

这里，我们使用了 ToString 特性中定义的 to_string 函数，标准库为任何实现了 Display 的类型实现了这个特性。

回忆第 6 章“枚举值”中所述，我们定义的每个枚举变体的名称也成为一个初始化函数。我们可以将这些初始化函数用作实现闭包特征的函数指针，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，如列表 20-31 所示。

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

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

在这里我们使用 map 被调用的范围中的每个 u32 值来创建 Status::Value 实例， 通过使用 Status::Value 的初始化函数。 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，所以使用对你来说更清晰的风格。

返回闭包

闭包由特征（trait）表示，这意味着你不能直接返回闭包。在大多数你可能想要返回特征的情况下，你可以使用实现该特征的具体类型作为函数的返回值。然而，通常你不能对闭包这样做，因为它们没有可返回的具体类型。例如，如果闭包捕获了其作用域中的任何值，你不能使用函数指针 fn 作为返回类型。

相反，你通常会使用我们在第 10 章中学到的 impl Trait 语法。你可以返回任何函数类型，使用 Fn、FnOnce 和 FnMut。例如，列表 20-32 中的代码将正常工作。

#![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“闭包类型推断和注解”中提到的，每个闭包也是其自身独特类型。如果你需要处理具有相同签名但实现不同的多个函数，你将需要使用特质对象。考虑一下如果你编写如清单 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。如果我们尝试编译这个代码，Rust 会告诉我们它不会工作：

$ cargo build
   Compiling functions-example v0.1.0 (file:///projects/functions-example)
    error[E0308]: mismatched types
    --> src/main.rs:4:9
    |
    4  |         returns_initialized_closure(123)
    |         ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected opaque type, found a different opaque type
    ...
    12 | fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |                         ------------------- the expected opaque type
    ...
    16 | fn returns_initialized_closure(init: i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |                                              ------------------- the found opaque type
    |
    = note: expected opaque type `impl Fn(i32) -> i32` (opaque type at <src/main.rs:12:25>)
                found opaque type `impl Fn(i32) -> i32` (opaque type at <src/main.rs:16:46>)
    = 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

错误信息告诉我们，每当我们返回一个impl Trait时，Rust 会创建一个独特的不透明类型，这是一种我们无法看到 Rust 为我们构建的详细信息的类型。所以即使这些函数都返回实现了相同特质的闭包，Fn(i32) -> i32，Rust 为每个生成的不透明类型也是不同的。（这类似于 Rust 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“处理任意数量的 Future”中所看到的。我们已经多次看到这个问题的解决方案：我们可以使用特质对象，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)
}

这段代码可以顺利编译。有关 trait 对象的更多信息，请参阅第 18 章的章节 “使用允许不同类型值的 trait 对象”。

接下来，让我们看看宏！