如何在用作函数结果的闭包内应用特征

Question

我无法实现这个 LISP 构造

(defun foo (n)
  (lambda (i) (incf n i)))

在 Rust 中。 我试过this:

use std::ops::Add;

fn f<T: Add>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
} 

fn main() {
    let adder = f(2);
    assert_eq!(4, adder(2));
}

但它会导致错误：

error: mismatched types:
 expected `T`,
    found `<T as core::ops::Add>::Output`
(expected type parameter,
    found associated type) [E0308]
           Box::new(move |i: T| n + i)
                                ^~~~~

似乎为外部函数定义的特征Add 没有转移到内部闭包中。

这样的构造可以实现吗？

可以使用具体类型而不是泛型来实现此功能：

fn f(n: i32) -> Box<Fn(i32) -> i32> {
    Box::new(move |i| n + i)
} 

Answer 1

通用版本存在几个问题。

首先，您提供的错误是因为仅T: Add 不足以指定输出类型：您还需要对关联类型<T as Add>::Output 施加约束（请参阅Add 文档）：

fn f<T: Add<Output=T>>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

或者，你可以让闭包返回<T as Add>的输出类型：

fn f<T: Add>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T::Output> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

但是，现在您将收到以下错误：

<anon>:4:10: 4:37 error: the parameter type `T` may not live long enough [E0310]
<anon>:4     Box::new(move |i: T| n + i)
             ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
<anon>:4:10: 4:37 help: see the detailed explanation for E0310
<anon>:4:10: 4:37 help: consider adding an explicit lifetime bound `T: 'static`...
<anon>:4:10: 4:37 note: ...so that the type `[closure@<anon>:4:19: 4:36 n:T]` will meet its required lifetime bounds
<anon>:4     Box::new(move |i: T| n + i)
             ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

这里的问题是T 内部可能包含引用（之后，它是一个泛型类型 - 它可以包含任何东西）；然而，Box<Fn(T) -> T> 隐含地意味着这个特征对象内的任何东西都必须是'static，即编译器自动添加'static 约束：Box<Fn(T) -> T + 'static>。但是，您的闭包会捕获 T，它可以包含任何引用，而不仅仅是 'static。

修复它的最通用方法是添加T 和Box<Fn(T) -> T> 的显式生命周期约束：

fn f<'a, T: Add<Output=T> + 'a>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T + 'a> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

或者，您可以指定 T 为 'static，但这会不必要地限制代码的通用性：

fn f<T: Add<Output=T> + 'static>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

但是，这仍然无法编译：

<anon>:4:31: 4:32 error: cannot move out of captured outer variable in an `Fn` closure
<anon>:4     Box::new(move |i: T| n + i)
                                  ^

这个错误的发生是因为 Rust 中的加法（即Add trait）按值起作用——它消耗了两个参数。对于Copy 类型，比如数字，这很好——它们总是被复制的。但是，编译器不能假设泛型类型参数也指定Copy 类型，因为没有相应的界限，因此它假设T 类型的值只能移动。但是，您指定返回的闭包是 Fn，因此它通过引用获取其环境。您无法移出引用，这就是此错误的原因。

有几种方法可以修复这个错误，最简单的一种是添加Copy bound：

fn f<'a, T: Add<Output=T> + Copy + 'a>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T + 'a> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

现在它可以编译了。

一种可能的替代方法是返回 FnOnce 闭包，它通过值获取其环境：

fn f<'a, T: Add<Output=T> + 'a>(n: T) -> Box<FnOnce(T) -> T + 'a> {
    Box::new(move |i: T| n + i)
}

但是，它有两个问题。首先，顾名思义，FnOnce 只能被调用一次，因为在它第一次调用时它的环境就被消耗掉了，下次就没有什么可以调用它了。这可能过于局限。其次，不幸的是，Rust 根本无法调用 Box<FnOnce()> 闭包。这是一个实现问题，应该在未来解决；目前有一个不稳定的FnBox trait 可以解决这个问题。

甚至另一种选择是使用引用而不是值：

fn f<'a, T: 'a>(n: T) -> Box<Fn(T) -> T + 'a> where for<'b> &'b T: Add<T, Output=T> {
    Box::new(move |i: T| &n + i)
} 

现在我们指定&'b T 在任何生命周期内'b 必须与T 相加，而不是T。在这里，我们使用Add trait 被重载以引用原始类型的事实。这可能是这个函数最通用的版本。

Answer 2

如果您可以摆脱函数调用，您可以将 x 包装成您自己的类型：

use std::ops::Add;

struct Adder<X> { 
    x: X 
}

impl<X: Copy> Adder<X> {
    fn add<Y: Add<X>>(&self, y: Y) -> <Y as Add<X>>::Output {
        y + self.x
    }
}

fn main() {
    let x = Adder { x: 1usize };

    x.add(2); // as opposed to x(2)
}

这意味着您可以摆脱Box 并且不需要分配任何东西。在稳定的 Rust 中实现 Fn(..) 是不可能的，并且不稳定的版本可能会在未来的 Rust 版本中中断。更多信息请查看std::ops::Fn。