如何在 Rust 中定義高階函數

高階函數是其參數或返回值本身就是函數的函數。換句話說，如果一種語言支持高階函數，那麼我們就說這些函數是一等公民，也就是說它們是值。

在本文中，我們將研究 Rust 如何支持高階函數，以及如何定義它們。

Rust 中的函數

我們可以通過 fn 關鍵字在 Rust 中定義函數。像往常一樣，定義一個函數，我們必須指定它的名稱，參數和返回值的類型：

fn plus_one(n: i32) -> i32 {
    n + 1
}

return 關鍵字是可選的。如果我們不指定它，函數的最後一條語句被認爲是返回語句。

如前所述，Rust 中的函數是一等公民。因此，我們可以將它們存儲在一個變量中。一旦它被存儲在變量中，我們可以像往常一樣調用它：

fn main() {
    let add_one = plus_one;

    println!("{}", add_one(1));
}

函數作爲參數

我們演示瞭如何定義函數並將其存儲在變量中。現在，讓我們看看如何將一個函數作爲參數傳遞給另一個函數。

首先，我們定義一個高階函數：

fn binary_operator(n: i32, m: i32, op: F) -> i32 
where F: Fn(i32, i32) -> i32 {
    op(n, m)
}

binary_operator 輸入兩個數字 n 和 m，以及一個函數 op。它對 n 和 m 應用 op，返回結果。

注意 op 參數的類型。它是一個泛型類型 F，在 binary_operator 的 where 子句中進行了細化。特別地，我們將其定義爲具有兩個數值形參 (i32, i32) 的函數 Fn，返回形參 i32。Fn 在這裏表示一個函數指針，即存儲函數的內存地址。

實名函數

將函數作爲參數傳遞的最簡單方法是使用它的名稱 (named function)：

add(n: i32, m: i32) -> i32 {
    n + m
}

fn binary_operator(n: i32, m: i32, op: F) -> i32 
where F: Fn(i32, i32) -> i32 {
    op(n, m)
}

fn main() {
    println!("{}", binary_operator(5, 6, add));
}

在上面的例子中，我們首先定義一個函數 add 來相加兩個數字，並將其用作 binary_operator 的參數。結果打印 11，如預期。

匿名函數

有時候沒有必要給函數命名。例如，我們可能想要動態地定義一個函數，只在一個地方使用。這就是匿名函數發揮作用的地方：

fn main() {
    println!("{}", binary_operator(5, 6, |a: i32, b: i32| a - b));
}

在上面的例子中，我們在調用 binary_operator 時直接定義了一個匿名函數。|| 之間是參數列表，然後是函數體本身。

匿名函數是一個非常強大的工具，因爲在 Rust 中，它們可以 “捕獲” 上下文環境。在這種情況下，函數也稱爲閉包。

正如預期的那樣，上面的代碼段編譯並輸出 - 1。

函數作爲返回值

正如我們前面提到的，在 Rust 中一個函數也可以返回另一個函數。由於 Rust 中內存管理的結果，這有點複雜，我們很快就會看到。

在下面的例子中，我們將修改上面定義的 binary_operator，重新定義一個 unapplied_binary_operator 函數：

fn unapplied_binary_operator<'a, F>(n:&'a i32, m:&'a i32, op:&'a F) -> Box<dyn Fn() -> i32 + 'a>
where F: Fn(i32, i32) -> i32 {
    Box::new(move || op(*n, *m))
}

unapplied_binary_operator 的定義現在看起來要複雜得多。

返回函數的主要問題是定義函數生命週期的長度。在 Rust 中，生命週期是借用檢查器用來確保所有借用都是有效的。

在上面的例子中，我們定義了一個生命週期'a 和泛型的 F 類型。然後，我們將'a 與三個參數以及函數的返回值關聯起來。

基本上，我們告訴借用檢查器，只要三個參數 (n、m 和 op) 存在，就考慮 unapplied_binary_operator 返回的函數的生命期。

此外，Rust 中的生命週期只存在於引用中。因此，我們必須將參數和返回值分別用 & 和 Box 轉換爲引用。

一般來說，Box<dyn Fn()> 表示實現 Fn 特徵的裝箱值。

上述實現中另一個有趣的地方是 move 的使用。該關鍵字表示所有捕獲 (即對封閉環境的所有引用) 都是按值發生的。否則，只要返回的匿名函數存在，任何引用捕獲都將被刪除，從而使閉包保留無效引用。換句話說，通過 move，閉包獲得了它使用的變量的所有權。

unapplied_binary_operator 返回一個不帶參數的函數，返回 op 應用於 n 和 m 的結果。假設我們現在使用引用，我們必須使用借用來調用它：

fn main() {
    let n = 5;
    let m = 6;
    println!("{}", unapplied_binary_operator(&n, &m, &add)());
}

注意我們如何借用 n, m，並使用 &。最後，由於 unapplied_binary_operator 返回一個不帶參數的函數，我們可以使用空括號調用它。正如預期的那樣，上面的代碼片段將打印 11。

總結

在本文中，我們快速研究了 Rust 中的高階函數。我們演示瞭如何定義一個簡單的函數。然後，我們探索了將函數作爲參數傳遞的方法。最後，我們研究了返回一個函數有多複雜，簡要地提到了 Rust 的一些關鍵特性，比如借用和生命週期。

高階函數是 Rust 和許多其他編程語言中的一個關鍵特性；高階函數是函數式編程的一個基本概念。我們可以使用高階函數來編寫更簡潔、更易於長期維護的代碼。

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