Rust match式でクロージャを返したい

Question

Rustを始めてまだ日が浅いものです。

イテレータのmapメソッドに渡す関数を状態によって変化させたいと考え、match式でクロージャを返すようなコードを書いてみたのですが、match arms have incompatible typesというエラーを返されました。型の不一致的な問題だとは思うのですが、こういったことを実現したい場合どのようにすればよいのでしょうか？

use std::io;

fn main() {
    let mut input = String::new();
    io::stdin().read_line(&mut input).unwrap();
    let num: u32 = input.trim().parse().unwrap();

    let func = match num {
        0 => |i| i * i,
        1 => |i| i + 1,
        2 => |i| i + i,
        _ => |_| 0,
    };

    println!("func({}) = {}", 5, func(5));
}

$ cargo run
   Compiling playground v0.1.0 (省略)
error[E0308]: match arms have incompatible types
  --> src/main.rs:10:14
   |
8  |       let func = match num {
   |  ________________-
9  | |         0 => |i| i * i,
   | |              --------- this is found to be of type `[closure@src/main.rs:9:14: 9:23]
`                                                                                         
10 | |         1 => |i| i + 1,
   | |              ^^^^^^^^^ expected closure, found a different closure
11 | |         2 => |i| i + i,
12 | |         _ => |_| 0,
13 | |     };
   | |_____- `match` arms have incompatible types
   |
   = note: expected type `[closure@src/main.rs:9:14: 9:23]`
              found type `[closure@src/main.rs:10:14: 10:23]`
   = note: no two closures, even if identical, have the same type
   = help: consider boxing your closure and/or using it as a trait object

error: aborting due to previous error

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: Could not compile `playground`.

To learn more, run the command again with --verbose.

色々検索ワードを考えてはみたのですが一向に見つからなかったので質問した次第です。もとい、当方Rustの型とクロージャへの理解がかなり不足しているのだと思います。何か参考になるページ等ありましたら紹介してただければと思います。

回答、よろしくお願いいたします

バージョン

$ rustc --version
rustc 1.37.0 (eae3437df 2019-08-13)

他に必要な情報があれば修正欄にお願いします。

Answer 1

   = note: expected type `[closure@src/main.rs:9:14: 9:23]`
              found type `[closure@src/main.rs:10:14: 10:23]`
   = note: no two closures, even if identical, have the same type

エラーメッセージにも書かれていますが、Rustでは一つ一つのクロージャがそれぞれ別の型になります。一方でmatch式は全ての腕（matchの節）が同じ型の値を返すことを要求します。このような不一致があるためエラーになっています。

対処法は2つあります。1つ目の方法はエラーと一緒に表示されているhelpに従って、クロージャをトレイトオブジェクトに変換することです。

   = help: consider boxing your closure and/or using it as a trait object

以下のように変数funcの型としてBox<dyn Fn(i32) -> i32>を指定し、個々のクロージャをBox::new()で囲みます。

use std::io;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let mut input = String::new();
    io::stdin().read_line(&mut input)?;
    let num: u32 = input.trim().parse()?;

    // Box化することでトレイトオブジェクトへ型強制する
    let func: Box<dyn Fn(i32) -> i32> = match num {
        0 => Box::new(|i| i * i),
        1 => Box::new(|i| i + 1),
        2 => Box::new(|i| i + i),
        _ => Box::new(|_| 0),
    };

    println!("func({}) = {}", 5, func(5));
    Ok(())
}

変数の型のところのdyn Fn(i32) -> i32の部分が、型の名前ではなくて、dyn + トレイト名になっているのがポイントです。

2つ目の方法は、使える場面が限られますが、クロージャではなくて無名関数に対する関数ポインタにすることです。以下のように、変数funcの型をfn(i32) -> i32にします。（fnのfは小文字）

use std::io;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let mut input = String::new();
    io::stdin().read_line(&mut input)?;
    let num: u32 = input.trim().parse()?;

    // このケースではクロージャでなくて無名関数でもよい。関数ポインタに型強制する
    let func: fn(i32) -> i32 = match num {
        0 => |i| i * i,
        1 => |i| i + 1,
        2 => |i| i + i,
        _ => |_| 0,
    };

    println!("func({}) = {}", 5, func(5));
    Ok(())
}

この方法が使えるのは、クロージャがその環境に自由変数（自分の外側にある変数）を捕捉していないときだけです。

2つの方法の違いは以下のとおりです。

1つ目の方法

• クロージャの呼び出しが動的ディスパッチになるので、ポインタを2回たどることになり、性能面でわずかに不利

2つ目の方法

• 無名関数の呼び出しはポインタを1回たどるだけなので、性能面でわずかに有利
• 使える場面が限定される。自由変数を捕捉してないときだけ使える

追記

参考資料についてですが、オンラインではあまり丁寧な説明が見つからないので、一応、共著で出版した書籍を紹介させてください。もし大きな書店に行かれることがあったら、立ち読みでかまいませんので読んでみてください。関連するページは以下のとおりです。

実践Rust入門（技術評論社、2019年5月発行）

• 3-5-4項（P123）　クロージャの型について
• 4章コラム（P159）　関数ポインタとクロージャ
• 7-12節（P299）　クロージャと所有権
• 8-3-2項（P323）　トレイトオブジェクトと動的ディスパッチのしくみ

Comments

[namnium1125]

回答ありがとうございます、なるほど！今回挙げたコードの場合は自由変数がないのでクロージャではなく無名関数として扱えるのですね、回答ありがとうございます。BAとさせていただきますm(_ _)m

[namnium1125]

Rust公式ガイドの方( https://doc.rust-jp.rs/book/second-edition/ )で勉強していたのですが、その他にわかりやすい書籍がないか探していたところです。読んでみたいと思います、ありがとうございますm(_ _)m

Answer 2

間接参照のBoxを使うという手があるようです。しかしこの方法であっているのだろうか...(コンパイルは通り希望通りの動作もしました)

use std::io;

fn main() {
    let mut input = String::new();
    io::stdin().read_line(&mut input).unwrap();
    let num: u32 = input.trim().parse().unwrap();

    let func: Box<dyn Fn(i32) -> i32> = match num {
        0 => Box::new(|i| i * i),
        1 => Box::new(|i| i + 1),
        2 => Box::new(|i| i + i),
        _ => Box::new(|_| 0),
    };

    println!("func({}) = {}", 5, func(5));
}