Rust 入门丨02 闭包

笔者之前一直不理解 Rust 中关于闭包的 Fn/FnMut/FnOnce 这 3 个 trait 的包含关系。通过一段时间的学习和分析，终于找到了我思维上的一个错误点，特此梳理此文，方便日后查询。

我之前的理解是这样的：

Fn 只需要引用，所以要求是最容易满足的。FnMut 需要的是可变引用，所以能满足 FnMut，一定能满足 Fn。FnOnce 需要的是所有权，那都有所有权了，&mut 和 & 肯定就不在话下了。所以满足 FnOnce 的，一定是 Fn 和 FnMut。满足 FnMut 的，不一定是 FnOnce，但是一定是 Fn。

我的错误点在于：在闭包实现者的角度想"我拥有什么权限"。

正确的思路应该是：站在函数调用者的角度想"我得到了什么承诺"。这才是 Trait 设计的本质，即是能力的声明，更是限制的承诺。

核心关键：承诺越强，限制越多，类型越“小”

Fn, FnMut, FnOnce 这三个 Trait，本质上是闭包对调用者做出的三种不同强度的承诺。

Fn 的承诺 (最强的承诺)
- 承诺内容：调用我，只需要对我进行不可变借用 (&self)。你甚至可以同时在多个线程里调用我。我保证不会改变任何东西，也不会消耗掉自己。
- 对闭包的限制：为了兑现这个最强的承诺，闭包自身受到的限制也最大。它只能不可变地借用环境中的变量。
- 调用者的自由：调用者获得了最大的自由，可以随心所欲地、不限次数地调用这个闭包。
FnMut 的承诺 (中等的承诺)
- 承诺内容：调用我，需要对我进行可变借用 (&mut self)。这意味着你不能同时调用我，但可以一个接一个地调用。我可能会改变我内部的状态。
- 对闭包的限制：限制有所放宽。闭包可以可变地借用环境变量。
- 调用者的自由：调用者的自由受到了一些限制，不能并发调用了。
FnOnce 的承诺 (最弱的承诺)
- 承诺内容：你只能调用我一次 (self)。调用之后，我就会被消耗掉，不复存在。
- 对闭包的限制：对闭包自身的限制最小。它可以随心所欲，甚至可以拿走环境变量的所有权。
- 调用者的自由：调用者只拥有一次调用的机会，自由度最低。

将之前的逻辑反过来思考

用"承诺"的视角：

错误想法：FnOnce 有所有权，最厉害，所以它包含了 FnMut 和 Fn。
正确的逻辑：一个闭包如果能做出 Fn 的承诺（最强承诺），那么它自然也能满足 FnMut（中等承诺）和 FnOnce（最弱承诺）的要求。

这就像一个人的信用评级：

一个能被评为 AAA 级信用 (Fn) 的人，向他借钱（调用他）风险极低，可以随时借。他自然也满足 AA 级 (FnMut) 和 A 级 (FnOnce) 的标准。
一个被评为 AA 级信用 (FnMut) 的人，满足不了 AAA 级的苛刻标准，但他肯定满足 A 级的基本标准。
一个只有 A 级信用 (FnOnce) 的人，意味着和他交易有风险，只能“一次性买卖”，他肯定满足不了 AA 级和 AAA 级的要求。

所以，这个关系是：

凡是 Fn，必然是 FnMut 和 FnOnce。
凡是 FnMut，必然是 FnOnce，但不一定是 Fn。
FnOnce 最为宽泛，它不承诺自己是 FnMut 或 Fn。

代码验证

我们用一个具体的例子来印证这个理论。

// 一个函数，它要求一个“AAA信用”的闭包
fn call_repeatedly<F: Fn()>(closure: F) {
    println!("--- Calling an Fn closure ---");
    closure();
    closure();
}

// 一个函数，它要求一个“AA信用”的闭包
fn call_mutably<F: FnMut()>(mut closure: F) {
    println!("--- Calling an FnMut closure ---");
    closure();
    closure();
}

// 一个函数，它只要求“A信用”的闭包
fn call_once<F: FnOnce()>(closure: F) {
    println!("--- Calling an FnOnce closure ---");
    closure();
}

fn main() {
    let mut my_string = String::from("Hello");
    let owned_string = String::from("World");

    // 1. 这是一个 Fn 闭包，因为它只对 my_string 进行了不可变借用。
    // 它做出了最强的承诺。
    let closure_fn = || {
        println!("Fn says: {}", my_string);
    };

    // 2. 这是一个 FnMut 闭包，因为它对 my_string 进行了可变借用。
    // 它只能做出中等承诺。
    let mut closure_fn_mut = || {
        my_string.push_str("!");
        println!("FnMut says: {}", my_string);
    };

    // 3. 这是一个 FnOnce 闭包，因为它夺走了 owned_string 的所有权。
    // 它只能做出最弱的承诺。
    let closure_fn_once = || {
        let consumed = owned_string;
        println!("FnOnce says: {}", consumed);
    };

    // --- 开始验证 ---

    // `closure_fn` (AAA级) 可以满足所有要求
    call_repeatedly(closure_fn);
    call_mutably(closure_fn);
    call_once(closure_fn);

    println!("\n");

    // `closure_fn_mut` (AA级) 满足不了 AAA 级的要求
    // call_repeatedly(closure_fn_mut); // 编译错误！因为它改变了环境，不满足 Fn 的要求
    call_mutably(&mut closure_fn_mut);
    call_once(&mut closure_fn_mut);

    println!("\n");

    // `closure_fn_once` (A级) 只能满足最基本的要求
    // call_repeatedly(closure_fn_once); // 编译错误！
    // call_mutably(closure_fn_once);    // 编译错误！因为它被调用后就没了，不能调用第二次
    call_once(closure_fn_once);
    // call_once(closure_fn_once); // 再次调用也会编译错误，因为它已经被消耗了
}