Rust中无类型注解闭包引发多次可变借用错误的原因探究

问题现象 #

在处理Rust闭包时会碰到这样的情况：使用无类型注解的闭包时，调用不同闭包能正常运行，但重复调用同一个闭包会触发error[E0499]多次可变借用错误；给闭包参数加上显式类型注解后，问题就解决了。

正常运行的代码 #

fn main() {
    let mut st = "add: ".to_string();
    let add_one = |str| add(str,1);
    let add_two = |str| add(str,2);
    add_one(&mut st);
    add_two(&mut st);
    println!("add: {:?} ",st);
}
fn add(str: &mut String,num:i32) {
    str.push_str(&num.to_string())
}

触发错误的代码 #

fn main() {
    let mut st = "add: ".to_string();
    let add_one = |str| add(str,1);
    let add_two = |str| add(str,2);
    add_one(&mut st);
    //add_two(&mut st); for clearly I comment this line
    add_one(&mut st);
    println!("add: {:?} ",st);
}
fn add(str: &mut String,num:i32) {
    str.push_str(&num.to_string())
}

编译器错误信息 #

error[E0499]: cannot borrow `st` as mutable more than once at a time
  --> src\main.rs:13:13
   |
11 |     add_one(&mut st);
   |             ------- first mutable borrow occurs here
12 |     //add_two(&mut st); for clearly I comment this line
13 |     add_one(&mut st);
   |     ------- ^^^^^^^ second mutable borrow occurs here
   |     |
   |     first borrow later used by call

修复后的代码 #

fn main() {
    let mut st = "add: ".to_string();
    let add_one = |str:&mut String| add(str,1);//explicit type
    let add_two = |str| add(str,2);
    add_one(&mut st);
    add_two(&mut st); 
    add_one(&mut st);
    println!("add: {:?} ",st);
//add: "add: 121"
}
fn add(str: &mut String,num:i32) {
    str.push_str(&num.to_string())
}

原因分析 #

核心差异在于Rust编译器对闭包参数的类型推断逻辑：

• 无类型注解的闭包：编译器会根据第一次调用的上下文，把闭包参数的类型和生命周期固定下来。第一次调用add_one(&mut st)时，参数str被推断为&'a mut String（'a是变量st的生命周期），这个生命周期会被绑定到闭包的类型中。当第二次调用add_one(&mut st)时，编译器认为第一次的借用生命周期还没结束（因为闭包类型里的'a还在生效），所以不允许再次可变借用，触发错误。
• 带显式类型注解的闭包：当你指定str:&mut String时，编译器会自动为这个参数添加泛型生命周期（等价于<'a> &'a mut String）。这意味着每次调用闭包时，都会绑定一个临时的新生命周期，两次调用的借用生命周期互不重叠，自然就不会触发借用冲突。

另外，调用不同闭包时没问题的原因是：两个闭包被推断为完全不同的类型，各自的借用生命周期只在自身调用期间有效，第一个闭包调用结束后借用就释放了，第二个闭包可以重新借用st。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者gray