高度な関数とクロージャ

この節では、関数とクロージャに関するいくつかの高度な機能、具体的には関数ポインタやクロージャを返すことについて見ていきます。

関数にクロージャを渡す方法についてはすでに説明しましたが、通常の関数を関数に渡すこともできます！この手法は、新しいクロージャを定義する代わりに、すでに定義した関数を渡したいときに便利です。関数は fn 型（小文字の f）に型強制されます。これは Fn クロージャトレイトと混同しないでください。fn 型は 関数ポインタ と呼ばれます。関数ポインタを使って関数を渡すことで、ほかの関数への引数として関数を利用できるようになります。

パラメータが関数ポインタであることを指定する構文はクロージャの場合と似ています。リスト20-28では、引数に 1 を足す add_one 関数を定義しています。do_twice 関数は 2 つのパラメータを取ります。1 つは i32 パラメータを受け取り i32 を返す任意の関数への関数ポインタ、もう 1 つは 1 個の i32 値です。do_twice 関数は f 関数を 2 回呼び出して arg 値を渡し、その 2 回の関数呼び出し結果を足し合わせます。main 関数は add_one と 5 を引数にして do_twice を呼び出します。

fn add_one(x: i32) -> i32 {
    x + 1
}

fn do_twice(f: fn(i32) -> i32, arg: i32) -> i32 {
    f(arg) + f(arg)
}

fn main() {
    let answer = do_twice(add_one, 5);

    println!("The answer is: {answer}");
}

このコードは The answer is: 12 を出力します。do_twice のパラメータ f は、i32 型のパラメータを 1 つ受け取り i32 を返す fn であると指定しています。そのため、 do_twice の本体の中で f を呼び出せます。main では、 add_one という関数名を do_twice の第 1 引数として渡せます。

クロージャとは異なり、fn はトレイトではなく型です。そのため、 Fn トレイトのいずれかをトレイト境界に持つジェネリック型パラメータを宣言するのではなく、fn をパラメータ型として直接指定します。

関数ポインタは 3 つすべてのクロージャトレイト（Fn、FnMut、FnOnce）を実装しているため、クロージャを期待する関数に対する引数として、いつでも関数ポインタを渡せます。関数でもクロージャでも受け取れるようにするため、関数はジェネリック型といずれかのクロージャトレイトを使って記述するのが最善です。

とはいえ、クロージャではなく fn のみを受け取りたい場面の 1 つは、クロージャを持たない外部コードとやり取りするときです。C の関数は関数を引数として受け取れますが、C にはクロージャがありません。

インラインで定義したクロージャと名前付き関数のどちらも使える例として、標準ライブラリの Iterator トレイトが提供する map メソッドの利用を見てみましょう。数値のベクタを文字列のベクタに変換するために map メソッドを使うには、リスト20-29のようにクロージャを使えます。

fn main() {
    let list_of_numbers = vec![1, 2, 3];
    let list_of_strings: Vec<String> =
        list_of_numbers.iter().map(|i| i.to_string()).collect();
}

あるいは、クロージャの代わりに関数名を map の引数にすることもできます。リスト20-30は、それがどのようになるかを示しています。

fn main() {
    let list_of_numbers = vec![1, 2, 3];
    let list_of_strings: Vec<String> =
        list_of_numbers.iter().map(ToString::to_string).collect();
}

利用可能な to_string という名前の関数が複数あるため、「高度なトレイト」節で説明した完全修飾構文を使わなければならないことに注意してください。

ここでは、ToString トレイトで定義された to_string 関数を使っています。標準ライブラリは、Display を実装するあらゆる型に対してこれを実装しています。

第 6 章の「enum の値」節で説明したとおり、私たちが定義する各 enum バリアントの名前は、初期化関数にもなります。これらの初期化関数は、クロージャトレイトを実装する関数ポインタとして使えます。つまり、リスト20-31にあるように、クロージャを受け取るメソッドの引数として初期化関数を指定できます。

fn main() {
    enum Status {
        Value(u32),
        Stop,
    }

    let list_of_statuses: Vec<Status> = (0u32..20).map(Status::Value).collect();
}

ここでは、map が呼び出される範囲内の各 u32 値に対して Status::Value の初期化関数を使うことで、Status::Value インスタンスを作成しています。このスタイルを好む人もいれば、クロージャを使うほうを好む人もいます。どちらも同じコードにコンパイルされるので、自分にとってより明確なスタイルを使ってください。

クロージャを返す

クロージャはトレイトによって表現されるため、クロージャを直接返すことはできません。通常、トレイトを返したくなる多くの場合では、その代わりに、そのトレイトを実装する具体型を関数の戻り値として使えます。しかし、クロージャには返せる具体型がないため、通常はそれをクロージャに対して行うことはできません。たとえば、クロージャがスコープから何らかの値をキャプチャする場合、戻り値の型として関数ポインタ fn を使うことはできません。

その代わりに、通常は第 10 章で学んだ impl Trait 構文を使います。 Fn、FnOnce、FnMut を使って、任意の関数型を返せます。たとえば、リスト20-32のコードは問題なくコンパイルされます。

#![allow(unused)]
fn main() {
fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |x| x + 1
}
}

しかし、第 13 章の「クロージャ型の推論と注釈」節で述べたように、各クロージャはそれぞれ固有の別個の型でもあります。同じシグネチャで実装が異なる複数の関数を扱う必要があるなら、それらにはトレイトオブジェクトを使う必要があります。リスト20-33のようなコードを書くとどうなるか、考えてみましょう。

fn main() {
    let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
    for handler in handlers {
        let output = handler(5);
        println!("{output}");
    }
}

fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
    |x| x + 1
}

fn returns_initialized_closure(init: i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
    move |x| x + init
}

ここには returns_closure と returns_initialized_closure という 2 つの関数があり、どちらも impl Fn(i32) -> i32 を返します。それらが返すクロージャは、同じ型として記述されているにもかかわらず、互いに異なることに注目してください。これをコンパイルしようとすると、Rust はこれがうまくいかないことを教えてくれます。

$ cargo build
   Compiling functions-example v0.1.0 (file:///projects/functions-example)
error[E0308]: mismatched types
  --> src/main.rs:2:44
   |
 2 |     let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
   |                                            ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected opaque type, found a different opaque type
...
 9 | fn returns_closure() -> impl Fn(i32) -> i32 {
   |                         ------------------- the expected opaque type
...
13 | fn returns_initialized_closure(init: i32) -> impl Fn(i32) -> i32 {
   |                                              ------------------- the found opaque type
   |
   = note: expected opaque type `impl Fn(i32) -> i32`
              found opaque type `impl Fn(i32) -> i32`
   = note: distinct uses of `impl Trait` result in different opaque types

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `functions-example` (bin "functions-example") due to 1 previous error

エラーメッセージは、impl Trait を返すたびに、Rust が一意の 不透明型 を作成することを示しています。これは、Rust が私たちのために構築するものの詳細を中から見ることができず、また Rust が生成する型を自分で書けるように推測することもできない型です。したがって、これらの関数は同じトレイト Fn(i32) -> i32 を実装するクロージャを返しますが、Rust がそれぞれに対して生成する不透明型は別個のものです。（これは、第17章の「Pin 型と Unpin トレイト」で見たように、異なる async ブロックが同じ出力型を持っていても、Rust がそれぞれに対して異なる具象型を生成するのと似ています。）この問題に対する解決策は、これまでにも何度か見てきました。リスト20-34のように、トレイトオブジェクトを使えます。

fn main() {
    let handlers = vec![returns_closure(), returns_initialized_closure(123)];
    for handler in handlers {
        let output = handler(5);
        println!("{output}");
    }
}

fn returns_closure() -> Box<dyn Fn(i32) -> i32> {
    Box::new(|x| x + 1)
}

fn returns_initialized_closure(init: i32) -> Box<dyn Fn(i32) -> i32> {
    Box::new(move |x| x + init)
}

このコードは問題なくコンパイルできます。トレイトオブジェクトの詳細については、第18章の「トレイトオブジェクトを使って共有された振る舞いを抽象化する」の節を参照してください。

次に、マクロを見ていきましょう！

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