Rustのクロージャの仕組み：Fn、FnMut、FnOnce

Posted at 2025-03-08

Rust プログラミング言語において、クロージャ（closures）は非常に強力で柔軟な機能であり、無名関数を定義し、その環境内の変数をキャプチャすることができます。Rust のクロージャシステムは、Fn、FnMut、FnOnce という 3 つのコアトレイトによって定義されます。これらのトレイトは、クロージャがキャプチャした変数とどのように相互作用するか、何回呼び出せるか、環境を変更できるかを決定します。これらの理解は、Rust のクロージャメカニズムを習得し、効率的で安全なコードを書くために不可欠です。

本記事では、Fn、FnMut、FnOnce の 3 つのトレイトについて詳しく説明し、それぞれの定義、用途、使用方法、適用シナリオを紹介します。また、コード例やベストプラクティスを提供し、これらの知識を総合的に学べるようにします。

Fn、FnMut、FnOnce とは？

Fn、FnMut、FnOnce は、Rust の標準ライブラリで定義されたトレイトであり、クロージャ（または任意の呼び出し可能なオブジェクト）の振る舞いを記述します。これらの主な違いは、クロージャがキャプチャした変数をどのように扱うか、および呼び出し時の所有権のルールにあります。

FnOnce：クロージャは 一度だけ 呼び出すことができ、呼び出し後に消費（consume）され、再利用できません。
FnMut：クロージャは 複数回 呼び出せ、キャプチャした変数を変更することができます。
Fn：クロージャは 複数回 呼び出せますが、キャプチャした変数を 変更せずに読み取る だけです。

これらのトレイトは、以下のような 継承関係 を持ちます。

Fn は FnMut を継承し、FnMut は FnOnce を継承します。
つまり、あるクロージャが Fn を実装しているならば、自動的に FnMut と FnOnce も実装されます。
同様に、FnMut を実装しているならば、自動的に FnOnce も実装されます。

各トレイトの定義

FnOnce

FnOnce トレイトは、次のような call_once メソッドを定義します。

pub trait FnOnce<Args> {
    type Output;
    fn call_once(self, args: Args) -> Self::Output;
}

特徴：
- call_once は self を受け取る（&self や &mut self ではない）。
- これは 所有権がクロージャに移動する ことを意味し、クロージャは 1 回だけ 呼び出せる。
用途：
- キャプチャした変数を 移動（move） したり、一度限りの操作を行うクロージャに適している。

FnMut

FnMut トレイトは、次のような call_mut メソッドを定義します。

pub trait FnMut<Args>: FnOnce<Args> {
    fn call_mut(&mut self, args: Args) -> Self::Output;
}

特徴：
- call_mut は &mut self を受け取るため、クロージャは複数回呼び出すことができ、キャプチャした変数を変更できる。
用途：
- キャプチャした環境の変数を変更するクロージャに適している。

Fn

Fn トレイトは、次のような call メソッドを定義します。

pub trait Fn<Args>: FnMut<Args> {
    fn call(&self, args: Args) -> Self::Output;
}

特徴：
- call は &self を受け取るため、クロージャは環境を変更せず、キャプチャした変数を単に読み取るだけ。
- 何度でも呼び出せる。
用途：
- キャプチャした変数を変更せずに、繰り返し呼び出すクロージャに適している。

クロージャがこれらのトレイトをどのように実装するか？

Rust のコンパイラは、クロージャがキャプチャした変数をどのように使用するかに基づいて、自動的にどのトレイトを実装するかを決定します。クロージャのキャプチャ方法には 3 つの種類 があります。

値のキャプチャ（move）：変数の所有権を取得する。
可変参照のキャプチャ（&mut）：変数の可変参照を取得する。
不変参照のキャプチャ（&）：変数の不変参照を取得する。

どのトレイトを実装するかは、変数の使用方法によって決まります。

FnOnce のみを実装：キャプチャした変数を 所有権ごと移動 した場合。
FnMut と FnOnce を実装：キャプチャした変数を変更した場合。
Fn、FnMut、FnOnce をすべて実装：キャプチャした変数を 単に読み取るだけ の場合。

サンプルコード

FnOnce を実装するクロージャ

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let closure = move || {
        drop(s); // `s` をムーブして破棄
    };
    closure(); // 1回だけ呼び出せる
    // closure(); // エラー: クロージャはすでに消費された
}

解析：

クロージャは move を使用して s の 所有権を取得 しました。
呼び出し時に s を drop してしまうため、このクロージャは 1 回しか呼び出せません。
そのため、このクロージャは FnOnce のみを実装します。

FnMut を実装するクロージャ

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let mut closure = || {
        s.push_str(" world"); // `s` を変更
    };
    closure(); // 1回目の呼び出し
    closure(); // 2回目の呼び出し
    println!("{}", s); // 出力: "hello world world"
}

解析：

クロージャは s の 可変参照（&mut s） をキャプチャしています。
s.push_str(" world") により、キャプチャした変数を変更しています。
そのため、このクロージャは FnMut と FnOnce を実装します。

Fn を実装するクロージャ

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let closure = || {
        println!("{}", s); // `s` をただ読むだけ
    };
    closure(); // 1回目の呼び出し
    closure(); // 2回目の呼び出し
}

解析：

クロージャは s の 不変参照（&s） をキャプチャしています。
s を 変更せずに読み取るだけ なので、何回でも呼び出すことができます。
このクロージャは Fn、FnMut、FnOnce のすべてを実装します。

関数の引数としてトレイトを使用する

クロージャは 関数の引数 として渡すことができます。その場合、関数は トレイト境界（trait bound） を指定する必要があります。

FnOnce を使用する関数

fn call_once<F>(f: F)
where
    F: FnOnce(),
{
    f();
}

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    call_once(move || {
        drop(s);
    });
}

解析：

call_once は FnOnce を受け取るため、1 回だけ クロージャを呼び出せます。
キャプチャした変数をムーブするクロージャに適した設計 です。

FnMut を使用する関数

fn call_mut<F>(mut f: F)
where
    F: FnMut(),
{
    f();
    f();
}

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    call_mut(|| {
        s.push_str(" world");
    });
    println!("{}", s); // 出力: "hello world world"
}

解析：

call_mut は FnMut を受け取るため、複数回呼び出し可能。
キャプチャした変数を変更できるクロージャに適した設計。

Fn を使用する関数

fn call_fn<F>(f: F)
where
    F: Fn(),
{
    f();
    f();
}

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    call_fn(|| {
        println!("{}", s);
    });
}

解析：

call_fn は Fn を受け取るため、複数回呼び出し可能で、キャプチャした変数を変更しないクロージャ を渡せます。

どのトレイトを使うべきか？

適切なトレイトを選択するには、クロージャの振る舞いを考慮する必要があります。

FnOnce を使うべき場合

シナリオ：クロージャを 1 回しか呼び出さない、または キャプチャした変数の所有権を移動する必要がある。
例：一度だけ実行される処理や、所有権を別の場所に渡すケース。

FnMut を使うべき場合

シナリオ：クロージャを 複数回呼び出す 必要があり、かつ キャプチャした変数を変更する。
例：カウンターの更新や、状態を変更する処理。

Fn を使うべき場合

シナリオ：クロージャを 複数回呼び出し たいが、キャプチャした変数を 変更しない。
例：ロギングやデータの取得処理。

関数設計の際の考え方

最も制約の少ないトレイトを選ぶ：
- FnOnce は最も制約が厳しく、1 回しか呼び出せない。
- FnMut は FnOnce より制約が少なく、可変な状態を扱える。
- Fn は最も制約が少なく、最も汎用的。
API 設計では、可能な限り制約の少ないトレイトを使う：
- FnOnce だと すべてのクロージャを受け入れられるが、呼び出し回数が制限される。
- Fn を指定すると 変更を許可しないが、何度でも呼び出せる。

ベストプラクティス

優先的に Fn を使用する：
- キャプチャした変数を変更しないなら Fn を使う。
- Fn は 最も制約が少なく、最も汎用的 なので、互換性が高い。
変更が必要なら FnMut を使用する：
- キャプチャした変数を変更するなら FnMut を使う。
- 例：状態を更新するクロージャ。
1 回だけの処理なら FnOnce を使用する：
- クロージャが変数の所有権を取得する場合、FnOnce を使う。
- 例：データを移動する処理。
API 設計では適切なトレイトを選ぶ：
- 最も制約が少ないトレイトを選ぶことで、柔軟な API を提供できる。
ライフタイムに注意する：
- キャプチャした変数のライフタイムが クロージャの実行範囲をカバーしていることを確認する。
- そうしないと、借用エラーが発生する可能性がある。