面试题：Rust闭包中的捕获环境变量机制

Question

请解释Rust闭包是如何捕获其定义所在环境中的变量的？有哪些不同的捕获方式？每种捕获方式在所有权和生命周期上有什么特点？并通过代码示例说明。

Answer 1

Rust闭包捕获变量的方式及特点

1. 按值捕获（move闭包）
   • 捕获方式：闭包获取变量的所有权。当闭包被创建时，它会从定义环境中获取相关变量的所有权，这意味着原变量在闭包创建后不再能被外部作用域使用。
   • 所有权特点：闭包拥有变量的所有权，原变量在闭包创建后不再可用。
   • 生命周期特点：闭包的生命周期从创建开始，直到闭包不再被使用（例如超出其作用域）。闭包持有的变量的生命周期与闭包自身相同。
   • 代码示例：

fn main() {
    let x = vec![1, 2, 3];
    let closure = move || println!("x in closure: {:?}", x);
    // 下面这行代码会报错，因为x的所有权被闭包move走了
    // println!("x outside closure: {:?}", x);
    closure();
}

2. 按引用捕获（不可变引用）
   • 捕获方式：闭包通过不可变引用捕获变量。闭包可以读取变量的值，但不能修改它。
   • 所有权特点：闭包不获取变量的所有权，原变量的所有权仍在外部作用域。
   • 生命周期特点：闭包的生命周期受限于它所捕获的引用的生命周期。闭包不能比它捕获的引用存活得更久。
   • 代码示例：

fn main() {
    let x = vec![1, 2, 3];
    let closure = || println!("x in closure: {:?}", x);
    println!("x outside closure: {:?}", x);
    closure();
}

3. 按可变引用捕获
   • 捕获方式：闭包通过可变引用捕获变量，允许闭包修改变量的值。
   • 所有权特点：同样，闭包不获取变量的所有权，原变量的所有权保持在外部作用域。
   • 生命周期特点：闭包的生命周期同样受限于它所捕获的可变引用的生命周期。在同一时间，只能有一个可变引用，所以如果在闭包使用期间，外部作用域尝试访问或修改该变量，会导致编译错误。
   • 代码示例：

fn main() {
    let mut x = vec![1, 2, 3];
    let closure = || {
        x.push(4);
        println!("x in closure: {:?}", x);
    };
    // 下面这行代码会报错，因为闭包获取了可变引用，此时外部不能再访问x
    // println!("x outside closure: {:?}", x);
    closure();
    println!("x outside closure: {:?}", x);
}

总结来说，Rust闭包通过move关键字实现按值捕获，直接引用实现按不可变引用捕获，通过mut引用实现按可变引用捕获，不同捕获方式在所有权和生命周期上各有特点，开发者需根据具体需求选择合适的捕获方式。