Rust 中的 Closure
原理
有些语言中没有 closure 和普通函数的区分，但 Rust 有。对 Rust 来说普通函数就是一段代码。而 closure 和 C 类似：每个 closure 会创建一个匿名的struct，编译器会在当前上下文捕获 closure 代码中的外部变量然后塞进这个结构体里面。
这件事非常重要，请默念三遍一个 closure 就是一个捕获了当前上下文变量的结构体（外加一段代码，这不重要）。
这解释了为什么 Rust 中两个参数和返回值一样的 closure 不被视作同一类型[1]，因为它们背后的匿名结构体不同，有着不同的大小、字段和 lifetime。
let m = 1.0;let c = 2.0;let line = |x| m*x c;// 等价于struct SomeUnknownType<'a> { m: &'a f64, c: &'a f64}impl<'a> SomeUnknownType<'a> { fn call(&self, x: f64) -> f64 { self.m * x self.c }}例子来源于 Why Rust Closures are (Somewhat) Hard。
这也是 closure 难用的根源：
- Rust 中结构体的可变性以及 liftime 本身就很烦人。
- Closure 的规则都是隐式的：closure 捕获值的方式及所生成的closure的类型都是按照隐式的规则决定的。
- Closure 一直会捕获整个复合类型，如
struct,tuple和enum。而不只是单个字段[2]。
对于 (3)，Rust 团队已经接受了一个提案，旨在改进不相交字段的捕获规则。（当前看起来没多少进展）
为什么
对于 (1) 和 (2) 是语言设计思路所带来的结果，为什么会这样呢？
因为 closure 很好用，但是我们不想付出运行时代价。所有语言都有类似的东西，但是它们把 closure 捕获的结构丢到堆上以保证所有 closure 类型大小一样，且借助了 GC 管理资源。
Rust选择「零额外开销」（Zero Overhead）所以必须用这种方式来实现 closure。使用高级抽象的同时保持了性能无损。比如说我们能用很函数式的方法处理迭代器，但最后生成的汇编和手写循环没什么区别。
并且Rust提供了Box<Fn() -> T>和Rc让你可以手动做到别的语言自动做到的事情。你需要显式使用这些设施，因为这代表额外的开销。
而选择隐式的捕获规则是因为closure被设计为在某个特定上下文内以短小、简洁而频繁的方式书写[3]。因此采用了这种隐式且最保守的捕获方式。代价就是容易让人摸不着头脑。虽说利大于弊，但的确是一个缺点（参见下一节的引用部分）。
规则
捕获规则最简单的情形是 move || {...} 它会尝试获取closure中用到的值的ownership，如果值是 Copy 的则 copy 一个。
而默认的捕获方式是：
- 如果可以，则尽量用
&借用 - 否则，如果可以，则总是
&mut借用 - 最后，无计可施必须要 ownership 的话，才会 move
捕获之后，根据你在 closure 代码中如何使用捕获到的值，编译器会为 closure 实现函数 traits。最后实现了哪些 traits 和捕获的方式（有没有加move）或者捕获到了哪些变量是无关的。
- 所有函数都至少能调用一次，所以都会实现
FnOnce。 - 另外，对于那些不会移走匿名结构体中变量的 closure 实现
FnMut。 - 并且，对于那些不会修改匿名结构体中变量的 closure 实现
Fn。
FnOnce, FnMut 和 Fn，下图中可以看出这三者是包含的关系。
其中FnMut和Fn能调用多次。FnMut调用时需要对自己匿名结构体的&mut self引用。调用Fn只需要&self引用就足够了。
以下内容可以跳过。
即使是面临必须要 ownership 的情况，如果值可以Copy，编译器依然会避免 move，而是用&的方式借用值，之后在需要的时候*。相关文章是《Rust 闭包环境捕获行为与 Copy trait》。
我们都认为是 bug，直到语言团队成员回复说这是预料中的行为。之后我注意到这是规则1较为反直觉的特例。
实践
现在来写下不同类型的 closure。然后去看编译器产出的 MIR。
MIR 是中级中间表示（简称中二表示）详细可以看官方博客的这篇文章。我们关注的只是少部分内容，大部分看不懂也没关系。
总而言之，MIR 告诉我们「代码究竟会变成什么样」但又保留了类型信息，不像汇编那样面目全非。
FnOnce
Closure 中必须移走某个变量的 ownership，这种 closure 需要 self 来执行，所以只能 FnOnce。
Playground （点右上角 “RUN” 按钮旁的「…」按钮，再点 “MIR” 看结果。）
fn main() { let homu = Homura; let get_homu = || homu; get_homu();}调用时的 MIR
let mut _4: [closure@src/main.rs:9:20: 9:27 homu:Homura];let mut _5: ();_3 = const std::ops::FnOnce::call_once(move _4, move _5) -> bb1;可以看到它是以 FnOnce 方式调用的。
_4 作为第一个参数传进去，它的类型 [closure@src/main.rs:10:20: 10:27 homu:Homura] 就是本文一直在叨念的匿名结构体了。其中 home:Homura 则是这个结构体捕获的变量和她的类型。
_5: () 代表着无参数。
Closure 代码所编译成的普通函数：
fn main::(_1: [closure@src/main.rs:9:20: 9:27 homu:Homura]) -> Homura { let mut _0: Homura; // return place bb0: { _0 = move (_1.0: Homura); // bb0[0]: scope 0 at src/main.rs:9:23: 9:27 return; // bb0[1]: scope 0 at src/main.rs:9:27: 9:27 }}注意这里 _1 的类型：[closure@src/main.rs:9:20: 9:27 homu:Homura] 前没有 & 或者 &mut，代表这个调用后会消耗掉匿名结构体。
_0 = move (_1.0: Homura); 可以看见内部移走了 homu。
FnMut
在 closure 中修改某个可变的引用[4]，但无需移走任何捕获到的值。这种 closure 必须请求一个&mut，所以有FnMut。
调用时：
let mut _6: &mut [closure@src/main.rs:9:25: 9:41 madoka:&mut std::option::Option<Madoka>];let mut _7: ();_5 = const std::ops::FnMut::call_mut(move _6, move _7) -> bb1;Closure 所生成的函数体：
fn main::(_1: &mut [closure@src/main.rs:9:25: 9:41 madoka:&mut std::option::Option<Madoka>]) -> () { // ...}可以看到 _1 变成一个 &mut 引用了。能多次调用而不会消耗匿名结构体。
被捕获的值变成了 madoka:&mut std::option::Option<Madoka> 。于是在这个 closure 销毁之前别人都不能访问 madoka 了。
Fn
在 closure 中只会读取外部的值，只需要 &self 就能执行，当然全部三种都实现了。
fn main() { let homu = Homura; let mado = Madoka; let marry = || (&homu, &mado); marry();}调用时：
let mut _7: &[closure@src/main.rs:10:17: 10:34 homu:&Homura, mado:&Madoka];let mut _8: ();_6 = const std::ops::Fn::call(move _7, move _8) -> bb1;是用 Fn 的方式调用的。
Closure 生成的函数体：
fn main::(_1: &[closure@src/main.rs:10:17: 10:34 homu:&Homura, mado:&Madoka]) -> (&Homura, &Madoka) { // ...}如果 closure 根本不捕获任何东西，则匿名结构体是 Zero Sized Types，在运行时不会被创建。这类 closure 等价于普通函数，自然也实现了全部三种。代码略。
实现哪些 traits 和捕获到的值无关
就算用 move 强制捕获变量的所有权，只要不移走它而仅仅是修改或读取它。这种情况依然会实现 FnMut 或 Fn。Playground
fn main() { let homu = Homura; let mado = Madoka; let marry = move || { (&homu, &mado); }; marry();}这种代码，用了 move 所以会捕获 homu 和 mado 的所有权，但是MIR可以看到是通过 Fn::call 调用的：
let mut _5: &[closure@src/main.rs:10:17: 12:6 homu:Homura, mado:Madoka];let mut _6: ();_4 = const std::ops::Fn::call(move _5, move _6) -> bb1;看看closure所生成的函数体吧：
fn main::(_1: &[closure@src/main.rs:10:17: 12:6 homu:Homura, mado:Madoka]) -> () { let mut _0: (); // return place let mut _2: (&Homura, &Madoka); let mut _3: &Homura; let mut _4: &Madoka; bb0: { // ... _3 = &((*_1).0: Homura); _4 = &((*_1).1: Madoka); (_2.0: &Homura) = move _3; (_2.1: &Madoka) = move _4; // ... return; }}不同于前一个没有加 move 的例子。homu:Homura 和 mado:Madoka 前没有 &，代表匿名结构体捕获了这两个变量的所有权。
然而捕获了那些变量的匿名结构体本身又是以 _1: &[closure...] 的方式传入的。因为函数体内根本不会移走 homu 或者 mado。
如果修改这份代码在 closure 过程内修改 mado 的话会变成什么样呢？留作习题。
语法
Closure看上去是这样的：
let plus_one = |x: i32| x 1; assert_eq!(2, plus_one(1));首先创建一个绑定plus_one，然后将它分配给一个closure，body是一个expression，注意{ } 也是一个expression。
它也可以被写成这样：
let plus_two = |x| { let mut result: i32 = x; result = 1; result = 1; result }; assert_eq!(4, plus_two(2)); 和常规的函数定义相比，区别就是closure没有使用关键词 fn ，区分一下：
fn plus_one_v1 (x: i32) -> i32 { x 1 }let plus_one_v2 = |x: i32| -> i32 { x 1 };let plus_one_v3 = |x: i32| x 1 ;值得注意的是在closure中参数和返回值的类型都是可以省略的，下面这种形式也是可以的：
let plus_one = |x| x 1;闭包和它的环境
一个小例子：
let num = 5; let plus_num = |x: i32| x num; assert_eq!(10, plus_num(5)); 也就是说，plus_num引用了一个在它作用于中的变量num，具体地说这是一个borrow，它满足所有权系统的要求，来看一个错误的例子：
let mut num = 5;let plus_num = |x: i32| x num;let y = &mut num;error: cannot borrow `num` as mutable because it is also borrowed as immutable let y = &mut num; ^~~在上面的代码中，plus_num已经对num做了不可变引用，而在plus_one的作用域内，又发生了一次可变引用，所以就违反了所有权系统中的如下规则：
如果对一个绑定进行了不可变引用，那么在该引用未超出作用域之前，不可以再进行可变引用，反之也是一样。
对代码做出如下修改即可：
let mut num = 5; { let plus_num = |x: i32| x num; } // plus_num goes out of scope, borrow of num ends let y = &mut num;再看一个例子：
let nums = vec![1, 2, 3]; let takes_nums = || nums; println!("{:?}", nums); 有问题吗？
有，而且是大问题，编译器的报错如下：
closure.rs:8:19: 8:23 error: use of moved value: `nums` [E0382]closure.rs:8 println!("{:?}", nums);从错误中可以看出来，在最后一个输出语句中，nums已经没有对资源 vec![1, 2, 3] 的 所有权了，该资源的所有权已经被move到了closure中去了。
那么问题来了：
为什么在前面的例子中closure是borrow，而到了这里就变成了move了呢？我们从头梳理一遍：
let mut num = 5; let plus_num = || num 1; let num2 = &mut num; Error:closure.rs:5:21: 5:24 error: cannot borrow `num` as mutable because it is also borrowed as immutableclosure.rs:5 let num2 = &mut num;说明在closure中发生了immutable borrow，这样才会和下面的&mut冲突，现在我们来做一个改动：
let plus_num = || num 1; // 改成如下语句 let mut plue_num = || num = 1;再编译一次：
Error:closure.rs:4:17: 4:20 error: cannot borrow `num` as mutable more than once at a timeclosure.rs:4 let num2 = &mut num;可以发现，在closure中发生了mutable borrow，为什么会这样呢？
在closure无非就是这3种情况：
by reference: &T
by mutable reference: &mut T
by value: T
至于是这3个中的哪一个，取决于你closure内部怎么用，然后编译器自动推断绑定的类型是Fn() FnMut() 还是FnOnce()
let plus_num = || num 1; // 这个只需要引用即可,所以plus_num类型为Fn() let mut plue_num = || num = 1; // 这个则需要&mut T，所以plus_num类型为FnMut() // 这是手册里的一个例子 // 这是一个没有实现Copy trait的类型 let movable = Box::new(3); // `drop` 需要类型T，所以closure环境就需要 by value T.，所以consume类型为FnOnce() let consume = || { drop(movable); // 这里发生了move }; // 所以这个consume只能执行一次 consume();有一点要注意的是：
在前面的例子应该分成两类：
let a= 100i32;
let a = vec![1,2,3];
区别就是i32类型实现了copy trait，而vector没有！！！
Move closure
使用move关键字，强制closure获得所有权，但下面的例子得注意一下：
let num = 5; let owns_num = move |x: i32| x num;尽管这里使用move，变量遵循move语义，但是，在这里5实现了Copy，所以owns_own获得的是 5 的拷贝的所有权，有什么区别呢？
来看看这段代码：
let mut num = 5; { let mut add_num = |x: i32| num = x; add_num(5); } assert_eq!(10, num); 这段代码得到的是我们想要的结果，但是如果我们加上move关键字呢？上面的代码就会报错，因为num的值仍是 5 ，并没有发生改变，
为什么呢？上面说到了，move强制闭包环境获得所有权，但是 5 实现了Copy，所以闭包获得的是其拷贝的所有权，同理闭包中修改的也是 5 的拷贝。总结
在Rust中闭包的概念并不好理解，因为牵扯到了太多所有权的概念，可以先把所有权弄懂了，闭包也就好理解了。