add闭包

src/advance/functional-programing/closure.md

@@ -254,6 +254,7 @@ where
         }
     }
 
+    // 先查询缓存值`self.value`，若不存在，则调用`query`加载
     fn value(&mut self, arg: u32) -> u32 {
         match self.value {
             Some(v) => v,
@@ -267,4 +268,374 @@ where
 }
 ```
 
+上面的缓存有一个很大的问题：只支持`u32`类型的值，若我们想要缓存`String`类型，显然就行不通了，因此需要将`u32`替换成泛型`E`，该练习就留给读者自己完成，具体代码可以参考[这里](https://github.com/sunface/rust-course/blob/main/course-solutions/closure.md)
+
+
+## 捕获作用域中的值
+在之前代码中，我们一直在用闭包的匿名函数特性(赋值给变量)，然而闭包还拥有一项函数所不具备的特性: 捕获作用域中的值。
+```rust
+fn main() {
+    let x = 4;
+
+    let equal_to_x = |z| z == x;
+
+    let y = 4;
+
+    assert!(equal_to_x(y));
+}
+```
+
+上面代码中，`x`并不是闭包`equal_to_x`的参数，但是它依然可以去使用`x`，因为`x`在`equal_to_x`的作用域范围内。
+
+对于函数来说，就算你把函数定义在`main`函数体中，它也不能访问`x`:
+```rust
+fn main() {
+    let x = 4;
+
+    fn equal_to_x(z: i32) -> bool {
+        z == x
+    }
+
+    let y = 4;
+
+    assert!(equal_to_x(y));
+}
+```
+
+报错如下：
+```console
+error[E0434]: can't capture dynamic environment in a fn item // 在函数中无法捕获动态的环境
+ --> src/main.rs:5:14
+  |
+5 |         z == x
+  |              ^
+  |
+  = help: use the `|| { ... }` closure form instead // 使用闭包替代
+```
+
+如上所示，编译器准确的告诉了我们错误，同时甚至给出了提示：使用闭包来替代函数，这种聪明令我有些无所适从，总感觉会显得我很笨。
+
+#### 闭包对内存的影响
+当闭包从环境中捕获一个值时，会分配内存去存储这些值。对于有些场景来说，这种额外的内存分配会成为一种负担。与之相比，函数就不会去捕获这些环境值，因此定义和使用函数不会拥有这种内存负担。
+
+#### 三种Fn特征
+闭包捕获变量有三种途径，恰好对应函数参数的三种传入方式：转移所有权、可变借用、不可变借用，因此相应的Fn特征也有三种:
+1. `FnOnce`, 该类型的闭包会拿走被捕获变量的所有权。`Once`顾名思义，说明该闭包只能拿走所有权一次:
+```rust
+fn main() {
+    let x = vec![1,2,3];
+
+    let len_is = move |z| z == x.len();
+    let len_is_not = move |z| z != x.len();
+    println!("{}",len_is(3));
+    println!("{}",len_is_not(4));
+}
+```
+
+`move`关键字用来告诉闭包，捕获变量的所有权而不是进行借用，因此`x`变量的所有权将被首选转移到`len_is`中，紧接着`len_is_not`又试图获取`x`的所有权，此时自然会报错：
+```console
+error[E0382]: use of moved value: `x`  // 使用已经没有所有权的x
+ --> src/main.rs:5:22
+  |
+2 |     let x = vec![1,2,3];
+  |         - move occurs because `x` has type `Vec<i32>`, which does not implement the `Copy` trait
+3 |         - 发生所有权转移因为x的类型是Vec<i32>,它没有实现Copy特征
+4 |     let len_is = move |z| z == x.len();
+  |                  --------      - variable moved due to use in closure // 在此处x所有权被转移
+  |                  |
+  |                  value moved into closure here
+5 |     let len_is_not = move |z| z != x.len();
+  |                      ^^^^^^^^      - use occurs due to use in closure 
+  |                      |
+  |                      value used here after move // 试图再次转移所有权
+```
+
+这里面有一个很重要的提示，因为`Vec<i32>`没有实现`Copy`特征，所以会报错，那么我们试试有实现`Copy`的类型：
+```rust
+fn main() {
+    let x = 3;
+
+    let equal_to = move |z| z == x;
+    let not_equal_to = move |z| z != x;
+    println!("{}",equal_to(3));
+    println!("{}",not_equal_to(4));
+}
+```
+
+上面代码中，`x`的类型是`i32`，该类型实现了`Copy`特征，因此虽然我们使用了`move`关键字让闭包拿走`x`的所有权，但是由于`x`是可复制的，闭包仅仅是复制了`x`的值，编译后，顺利通过:
+```console
+true
+true
+```
+
+2. `FnMut`, 它以可变借用的方式捕获了环境中的值，因此可以修改该值：
+```rust
+fn main() {
+    let mut s = String::new();
+
+    let update_string =  |str| s.push_str(str);
+    update_string("hello");
+    
+    println!("{:?}",s);
+}
+```
+
+在闭包中，我们调用`s.push_str`去改变外部`s`的字符串值，因此这里捕获了它的可变借用，运行下试试：
+```console
+error[E0596]: cannot borrow `update_string` as mutable, as it is not declared as mutable
+ --> src/main.rs:5:5  
+  |
+4 |     let update_string =  |str| s.push_str(str);
+  |         -------------          - calling `update_string` requires mutable binding due to mutable borrow of `s`
+  |         |
+  |         help: consider changing this to be mutable: `mut update_string`
+5 |     update_string("hello");
+  |     ^^^^^^^^^^^^^ cannot borrow as mutable
+```
+
+虽然报错了，但是编译器给出了非常清晰的提示，想要在闭包内部捕获可变借用，需要把该闭包声明为可变类型，也就是`update_string`要修改为`mut update_string`:
+```rust
+fn main() {
+    let mut s = String::new();
+
+    let mut update_string =  |str| s.push_str(str);
+    update_string("hello");
+    
+    println!("{:?}",s);
+}
+```
+
+这种写法有点反直觉，相比起来前面的`move`更符合使用和阅读习惯。但是如果你忽略`update_string`的类型，仅仅把它当成一个普通变量，那么这种声明就比较合理了。
+
+再来看一个复杂点的：
+```rust
+fn main() {
+    let mut s = String::new();
+
+    let update_string =  |str| s.push_str(str);
+   
+    exec(update_string);
+    
+    println!("{:?}",s);
+}
+
+fn exec<'a, F: FnMut(&'a str)>(mut f: F)  {
+    f("hello")
+}
+```
+
+这段代码非常清晰的说明了`update_string`实现了`FnMut`特征
+
+3. `Fn`特征，它以不可变借用的方式捕获环境中的值
+让我们把上面的代码中`exec`的`F`泛型参数类型修改为`Fn(&'a str)`，然后运行看看结果:
+```console
+error[E0525]: expected a closure that implements the `Fn` trait, but this closure only implements `FnMut`
+ --> src/main.rs:4:26  // 期望闭包实现的是`Fn`特征，但是它只实现了`FnMut`特征
+  |
+4 |     let update_string =  |str| s.push_str(str);
+  |                          ^^^^^^-^^^^^^^^^^^^^^
+  |                          |     |
+  |                          |     closure is `FnMut` because it mutates the variable `s` here
+  |                          this closure implements `FnMut`, not `Fn` //闭包实现的是FnMut，而不是Fn
+5 |    
+6 |     exec(update_string);
+  |     ---- the requirement to implement `Fn` derives from here
+```
+
+从报错中很清晰的看出，我们的闭包实现的是`FnMut`特征，但是在`exec`中却给它标注了`Fn`特征，因此产生了不匹配，再来看看正确的不可变借用方式：
+```rust
+fn main() {
+    let s = "hello, ".to_string();
+
+    let update_string =  |str| println!("{},{}",s,str);
+   
+    exec(update_string);
+    
+    println!("{:?}",s);
+}
+
+fn exec<'a, F: Fn(String) -> ()>(f: F)  {
+    f("world".to_string())
+}
+```
+
+在这里，因为无需改变`s`，因此闭包中只对`s`进行了不可变借用，那么在`exec`中，将其标记为`Fn`特征就完全正确。
+
+
+##### move和Fn
+在上面，我们讲到了`move`关键字对于`FnOnce`特征的重要性，但是实际上使用了`move`的闭包依然可能实现了`Fn`或`FnMut`特征。
+
+因为，**一个闭包实现了哪种Fn特征取决于该闭包如何使用被捕获的变量，而不是取决于闭包如何捕获它们**。`move`本身强调的就是后者：闭包如何捕获变量:
+```rust
+fn main() {
+    let s = String::new();
+
+    let update_string =  move || println!("{}",s);
+   
+    exec(update_string);
+}
+
+fn exec<F: Fn()>(f: F)  {
+    f()
+}
+```
+
+我们在上面的闭包中使用了`move`关键字，因此我们的闭包捕获了它，但是由于闭包对`s`的使用仅仅是不可变借用，因为该闭包实际上**还**实现了`Fn`特征，如`exec`函数所示。
+
+细心的读者肯定发现我在上段中使用了一个`还`字，这是什么意思呢？因为该闭包不仅仅实现了`Fn`特征，还实现了`FnOnce`特征，因此将代码修改成下面这样，依然可以编译：
+```rust
+fn main() {
+    let s = String::new();
+
+    let update_string =  move || println!("{}",s);
+   
+    exec(update_string);
+}
+
+fn exec<F: FnOnce()>(f: F)  {
+    f()
+}
+```
+
+##### 三种Fn的关系
+实际上，一个闭包并不仅仅实现某一种Fn特征，规则如下：
+- 所有的闭包都实现了`FnOnce`特征，因此任何一个闭包都至少可以被调用一次
+- 没有使用`move`的闭包实现了`FnMut`特征
+- 不需要对捕获变量进行改变的闭包实现了`Fn`特征
+
+用一段代码来简单诠释上述规则:
+```rust
+fn main() {
+    let s = String::new();
+
+    let update_string =  || println!("{}",s);
+   
+    exec(update_string);
+    exec1(update_string);
+    exec2(update_string);
+}
+
+fn exec<F: FnOnce()>(f: F)  {
+    f()
+}
+
+fn exec1<F: FnMut()>(mut f: F)  {
+    f()
+}
+
+fn exec2<F: Fn()>(f: F)  {
+    f()
+}
+```
+
+虽然，闭包只是对`s`进行了不可变借用，实际上，它可以适用于任何一种`Fn`特征：三个`exec`函数说明了一切。强烈建议读者亲自动手试试各种情况下使用的`Fn`特征，更有助于加深这方面的理解。
+
+如果还是有疑惑？没关系，我们来看看这三个特征的简化版源码：
+```rust
+pub trait Fn<Args> : FnMut<Args> {
+    extern "rust-call" fn call(&self, args: Args) -> Self::Output;
+}
+
+pub trait FnMut<Args> : FnOnce<Args> {
+    extern "rust-call" fn call_mut(&mut self, args: Args) -> Self::Output;
+}
+
+pub trait FnOnce<Args> {
+    type Output;
+
+    extern "rust-call" fn call_once(self, args: Args) -> Self::Output;
+}
+```
+
+看到没？从特征约束能看出来`Fn`的前提是实现`FnMut`，`FnMut`的前提是实现`FnOne`，因此要实现`Fn`就要同时实现`FnMut`和`FnOnce`，这段源码从侧面印证了之前规则的正确性。
+
+从源码中还能看出一点：`Fn`获取`&self`，`FnMut`获取`&mut self`，而`FnOnce`获取`self`.
+在实际项目中，**建议先使用`Fn`特征**，然后编译器会告诉你正误以及该如何选择。
+
+## 闭包作为函数返回值
+看到这里，相信大家对于如何使用闭包作为函数参数，已经很熟悉了，但是如果要使用闭包作为函数返回值，该如何做？
+
+先来看一段代码：
+```rust
+fn factory() -> Fn(i32) -> i32 {
+    let num = 5;
+
+    |x| x + num
+}
+
+let f = factory();
+
+let answer = f(1);
+assert_eq!(6, answer);
+```
+
+上面这段代码看起来还是蛮正常的，用`Fn(i32) -> i32`特征来代表`|x| x + num`，非常合理嘛，肯定可以编译通过, 可惜理想总是难以照进现实，编译器给我们报了一大堆错误，先挑几个重点来看看：
+```console
+fn factory<T>() -> Fn(i32) -> i32 {
+  |                    ^^^^^^^^^^^^^^ doesn't have a size known at compile-time // 该类型在编译器没有固定的大小
+```
+
+Rust要求函数的参数和返回类型，必须有固定的内存大小，例如`i32`就是4个字节，引用类型是8个字节，总之，绝大部分类型都有固定的大小，但是不包括特征，因为特征类似接口，对于编译器来说，无法知道它后面藏的真实类型是什么，因为也无法得知具体的大小。
+
+但是我们又无法知道闭包的具体类型，该怎么办呢？再看看报错提示:
+```console
+help: use `impl Fn(i32) -> i32` as the return type, as all return paths are of type `[closure@src/main.rs:11:5: 11:21]`, which implements `Fn(i32) -> i32`
+  |
+8 | fn factory<T>() -> impl Fn(i32) -> i32 {
+```
+
+嗯，编译器提示我们加一个`impl`关键字，哦，这样一说，读者可能就想起来了，`impl Trait`可以用来返回一个实现了指定特征的类型，那么这里`impl Fn(i32) -> i32`的返回值形式，说明我们要返回一个闭包类型，它实现了`Fn(i32) -> i32`特征。
+
+完美解决，但是，在[特征]那一章，我们提到过，`impl Trait`的返回方式有一个非常大的局限，就是你只能返回同样的类型，例如:
+```rust
+fn factory(x:i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
+
+    let num = 5;
+
+    if x > 1{
+        move |x| x + num
+    } else {
+        move |x| x - num
+    }
+}
+```
+运行后，编译器报错:
+```console
+error[E0308]: `if` and `else` have incompatible types
+  --> src/main.rs:15:9
+   |
+12 | /     if x > 1{
+13 | |         move |x| x + num
+   | |         ---------------- expected because of this
+14 | |     } else {
+15 | |         move |x| x - num
+   | |         ^^^^^^^^^^^^^^^^ expected closure, found a different closure
+16 | |     }
+   | |_____- `if` and `else` have incompatible types
+   |
+```
+
+嗯，提示很清晰：`if`和`else`分支中返回了不同的闭包类型，这就很奇怪了，明明这两个闭包长的一样的，好在细心的读者应该回想起来，本章节前面咱们有提到：就算签名一样的闭包，类型也是不同的，因此在这种情况下，就无法再使用`impl Trait`的方式去返回闭包。
+
+怎么办？再看看编译器提示，里面有这样一行小字:
+```console
+= help: consider boxing your closure and/or using it as a trait object
+```
+
+哦，相信你已经恍然大悟，可以用特征对象！只需要用`Box`的方式即可实现：
+```rust
+fn factory(x:i32) -> Box<dyn Fn(i32) -> i32> {
+    let num = 5;
+
+    if x > 1{
+        Box::new(move |x| x + num)
+    } else {
+        Box::new(move |x| x - num)
+    }
+}
+```
+
+至此，闭包作为函数返回值就已完美解决，若以后你再遇到报错时，一定要仔细阅读编译器的提示，很多时候，转角都能遇到爱。
+
 ## 闭包的生命周期
+这块儿内容在进阶生命周期章节中有讲，这里就不再赘述，读者可移步[此处](https://course.rs/advance/lifetime/advance.html#闭包函数的消除规则)进行回顾。