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特征共同約束：

• 匿名數(shù)函(非獨有，函數(shù)指針也可以);
• 可以調(diào)用閉包，并顯式傳遞參數(shù)(非獨有，函數(shù)指針也可以);
• 以變量形式存在，可以傳來傳去(非獨有，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(獨有);

神奇的是最后一點，理解起來也比較別扭的，習慣就好了。

為了說明上述特征，可以看一個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);} 

運行代碼：

name is Ethan  
age is 18 

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，就在于它同時涉及兩個作用域，就仿佛打開了一個"蟲洞"，讓不同作用域的變量穿梭其中。

let x_closure = ||{}; 

單獨一行代碼，就藏著這個奧妙：

• 賦值=的左側(cè)，是存儲閉包的變量，它處在一個作用域中，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)，那對花括號{}里，也是一個作用域，它在閉包被調(diào)用處動態(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)通了兩個作用域。

對于閉包，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?

換個問法，main作用域中的變量name是以何種方式進入閉包的作用域的(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)對外部變量存在轉(zhuǎn)移操作，導致外部變量不可用(所以只能call一次);
• FnMut：閉包內(nèi)對外部變量直接使用，并進行修改;
• Fn：閉包內(nèi)對外部變量直接使用，不進行修改;

后者能辦到的，前者一定能辦到。反之則不然。所以，編譯器對閉包簽名進行推理時：

• 實現(xiàn)FnMut的，同時也實現(xiàn)了FnOnce;
• 實現(xiàn)Fn的，同時也實現(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。

fn display<T>(age: u32, mut print_info: T) 
    where T: FnMut(u32) 
{    print_info(age);} 

對環(huán)境變量進行捕獲的閉包，需要額外的空間支持才能將環(huán)境變量進行存儲。

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。

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); 
} 

以上代碼無法通過編譯，成功檢測出了懸垂引用：

error[E0597]: b does not live long enough 

顯然，對于閉包，編譯期可以對引用的生命周期進行檢查，以保證引用始終有效。

這個例子，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，對于編譯器來說，調(diào)用方和函數(shù)內(nèi)部實現(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)用方的實際輸入，以及函數(shù)內(nèi)部的實際返回，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，我們將一個閉包作為函數(shù)參數(shù)傳入，那么根據(jù)閉包的特性，它應該能夠作為函數(shù)的返回值。答案是肯定的。

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

fn closure_return() -> Fn() -> (){ 
    ||{}    } 

可是，編譯失敗了：

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

失敗信息顯示，編譯器無法確定函數(shù)返回值的大小。一個閉包有多大呢?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)返回值都是一個確定大小的指針。下面的代碼里，使用Box::new即可完成裝箱。

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();} 

運行結(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)，這個不難理解，因為外層變量的生命周期更長，內(nèi)層函數(shù)訪問時，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)境變量向閉包進行所有權(quán)的轉(zhuǎn)移，這個操作順理成章。

正因為Rust具有所有權(quán)轉(zhuǎn)移的概念，返回閉包(同時捕獲環(huán)境變量)的機理，Rust的要比任何具有垃圾回收語言(JavaScript、Java、C#)的解釋都更簡單明了。后者總會給人一絲不安：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，強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。