Fn、FnMut 和 FnOnce

在 Rust 中，Fn、FnMut 和 FnOnce 是三个 trait（特性），它们用于描述闭包（Closure）如何捕获和使用其环境中的变量。 编译器会根据闭包内部的行为自动为其实现这三个 trait 中最合适的一个。

这三个 trait 的核心区别在于它们如何与捕获的变量交互，这直接决定了闭包可以被调用多少次。

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1. FnOnce：消费所有权（最多调用一次）

• 含义： Once（一次）意味着这类闭包最多只能被调用一次。
• 捕获方式：它通过获取环境中变量的所有权（taking ownership）来捕获它们。一旦闭包被调用，它会消费掉（consume）这些变量，导致所有权被移出闭包，因此闭包本身也无法再次被调用。
• self 类型：可以类比为接收 self 参数的方法，它会消耗掉实例本身。

使用场景： 当你需要在闭包内部转移捕获变量的所有权时，例如，将一个 String 移动到一个新的线程中。

示例：

fn main() {
    let s = String::from("hello");

    // `move` 关键字强制闭包获取 s 的所有权
    let consume_s = move || {
        // s 的所有权在这里被消耗
        println!("s is: {}", s);
        // std::mem::drop(s); // 显式地丢弃 s
    };

    consume_s();

    // 下面这行代码会编译失败，因为 s 的所有权已经被移动到闭包中，
    // 并且在调用 consume_s() 后被销毁。
    // println!("Cannot use s here: {}", s);
}

2. FnMut：可变借用（可多次调用，可修改环境）

• 含义：Mut（mutable）意味着这类闭包可以修改其捕获的环境变量。
• 捕获方式：它以可变借用 (&mut T) 的方式捕获环境变量。因为只是借用，所以闭包可以被多次调用。
• self 类型：可以类比为接收 &mut self 参数的方法，允许修改实例的状态。

使用场景： 当你需要一个可以被多次调用，并且每次调用都会改变其状态的闭包时，比如一个计数器。

示例：

fn main() {
    let mut count = 0;

    // 这个闭包需要修改 count 的值，所以它是一个 FnMut
    let mut increment = || {
        count += 1;
        println!("Count is now: {}", count);
    };

    increment(); // 输出: Count is now: 1
    increment(); // 输出: Count is now: 2

    // 可以在闭包外部再次访问 count，因为它只是被可变借用了
    println!("Final count: {}", count); // 输出: Final count: 2
}

3. Fn：不可变借用（可多次并发调用，只读环境）

• 含义：这是限制最严格的闭包类型，它只能读取环境变量，不能修改它们。
• 捕获方式：它以不可变借用 (&T) 的方式捕获环境变量。因为是不可变借用，所以它可以被多次调用，甚至可以安全地在多个线程之间并发调用。
• self 类型：可以类比为接收 &self 参数的方法，只能读取实例的状态。

使用场景： 当你只需要读取环境中的数据，而不需要修改它时。这是最灵活的闭包类型。

示例：

fn main() {
    let message = String::from("hello");

    // 这个闭包只是读取 message，所以它是一个 Fn
    let print_message = || {
        println!("Message is: {}", message);
    };

    print_message();
    print_message();

    // 在闭包之后，message 仍然完全可用
    println!("Message after closure: {}", message);
}

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总结与层级关系

这三个 trait 之间存在一个层级关系：

Fn ⊂ FnMut ⊂ FnOnce

这意味着：

• 所有实现了 Fn 的闭包，也自动实现了 FnMut 和 FnOnce。
• 所有实现了 FnMut 的闭包，也自动实现了 FnOnce。

换句话说，如果你有一个需要 FnOnce 类型闭包的函数，你可以给它传递一个 Fn 或 FnMut 类型的闭包，因为它们都可以被“调用一次”。但反过来则不行，例如，你不能把一个 FnOnce 闭包传递给一个要求 Fn 的函数，因为它可能会被多次调用。

Trait	捕获方式	调用次数	修改环境	self 类比
Fn	不可变借用 (&T)	多次 (可并发)	否 (只读)	&self
FnMut	可变借用 (&mut T)	多次 (不可并发)	是	&mut self
FnOnce	获取所有权 (T)	最多一次	是/否	self