Rust中如何传递捕获变量的闭包作为函数参数？

我在Rust中使用高阶函数时遇到问题：想要传递的参数函数是一个捕获了值的闭包。

第一次尝试 #

/// 将值n翻倍后应用函数f
fn double_then_f(n: u64, f: fn(u64) -> u64) -> u64 {
    f(n * 2)
}

fn main() {
    // 无捕获的闭包可以正常运行
    let example_1 = double_then_f(5, |n| n + 1);
    
    // 捕获变量的闭包无法运行
    let dynamic_value = vec![1, 2, 3].iter().sum::<u64>();
    let example_2 = double_then_f(5, |n| n + dynamic_value);
}

编译失败，报错：

note: expected fn pointer fn(u64) -> u64
found closure [closure@src/main.rs:12:38: 12:41]
note: closures can only be coerced to fn types if they do not capture any variables

第二次尝试 #

了解Fn trait和fn类型的区别后，我修改了代码：

/// 将值n翻倍后应用函数f
fn double_then_f(n: u64, f: Box<dyn Fn(u64) -> u64>) -> u64 {
    f(n * 2)
}

fn main() {
    // 无捕获的闭包可以正常运行
    let example_1 = double_then_f(5, Box::new(|n| n + 1));
    
    // 捕获变量的闭包仍无法运行
    let dynamic_value = vec![1, 2, 3].iter().sum::<u64>();
    let example_2 = double_then_f(5, Box::new(|n| n + dynamic_value));
}

这次编译仍失败，出现生命周期相关错误：cast requires that dynamic_valueis borrowed for'static``，猜测是闭包转换为trait对象时的强制转换导致的。

解决方案 #

方法一：使用泛型约束（推荐） #

直接给函数添加泛型参数，约束它实现Fn(u64) -> u64 trait，既不需要装箱，也能兼容所有符合条件的闭包（包括捕获变量的）：

fn double_then_f<F>(n: u64, f: F) -> u64
where
    F: Fn(u64) -> u64,
{
    f(n * 2)
}

fn main() {
    let example_1 = double_then_f(5, |n| n + 1);
    
    let dynamic_value = vec![1, 2, 3].iter().sum::<u64>();
    let example_2 = double_then_f(5, |n| n + dynamic_value);
    
    println!("example_1: {}, example_2: {}", example_1, example_2);
}

这种方式是Rust处理高阶函数的惯用写法，泛型会在编译时单态化，无运行时开销，同时完美支持捕获环境的闭包。

方法二：使用带生命周期的trait对象（若必须装箱） #

如果因场景限制必须使用Box<dyn Fn>，可以给函数添加生命周期参数，让trait对象的生命周期与捕获变量绑定：

fn double_then_f<'a>(n: u64, f: Box<dyn Fn(u64) -> u64 + 'a>) -> u64 {
    f(n * 2)
}

fn main() {
    let example_1 = double_then_f(5, Box::new(|n| n + 1));
    
    let dynamic_value = vec![1, 2, 3].iter().sum::<u64>();
    let example_2 = double_then_f(5, Box::new(|n| n + dynamic_value));
    
    println!("example_1: {}, example_2: {}", example_1, example_2);
}

或者使用move闭包将dynamic_value的所有权转移到闭包中，消除对外部变量引用的依赖：

fn double_then_f(n: u64, f: Box<dyn Fn(u64) -> u64>) -> u64 {
    f(n * 2)
}

fn main() {
    let example_1 = double_then_f(5, Box::new(|n| n + 1));
    
    let dynamic_value = vec![1, 2, 3].iter().sum::<u64>();
    let example_2 = double_then_f(5, Box::new(move |n| n + dynamic_value));
    
    println!("example_1: {}, example_2: {}", example_1, example_2);
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者JoshOrndorff