Rust Impl Traitとクロージャの返却について

業務でRustを触っており, impl Trait とやらに遭遇しました.
初見では意味がわからなかったのですが,
順序立てて理解していくと, 頭にすーっと入っていったので共有します。

自己満(腑に落ちる) > 正しい の記事なので, 言葉の使い方が間違っているところも大目に見てください. + 後半になるにつれて雑になります..

※ 記述中. 今後修正していきます🙇

目次

• 抽象化を行う方法
• 具体例(引数での利用)
• 返り値での利用(引数の時と違って...)

抽象化を行う方法

抽象化については -> https://qiita.com/aaaoooiii/items/68386f497ee0c73222c2

抽象化を行う方法として

• 静的ディスパッチを使った方法 => トレイト境界 + ジェネリクスを利用
• 動的ディスパッチを使った方法 => トレイトオブジェクトを利用

が用意されている(※他にもある)
Rustでは 基本的に, 静的ディスパッチを採用. ※ ゼロコスト抽象化などが関わってくる.

具体例

std::fmt::Displayトレイトを満たしている型を引数にとり, 標準出力する関数を考える.

静的ディスパッチ

静的ディスパッチを使った方法では, 以下のようにトレイト境界 + ジェネリクスを利用

fn print<T: std::fmt::Display>(arg: T) {
    println!("{}", arg);
}

コンパイル時に, 型ごとの関数が内部的に作成される(単相化)

// i32型用のprint
fn print_i32(arg: i32) {
    println!("{}", arg);
}

// String型用のprint
fn print_string(arg: String) {
    println!("{}", arg);
}

コンパイル時に内部的に関数を作成しているので速い... ここ後から書く

動的ディスパッチ

動的ディスパッチを使った方法では, トレイトオブジェクトを利用.

fn print(arg: Box<dyn std::fmt::Display>) {
    // メソッドの実行は略.. とりあえずこう書けるよってところだけ
    println!("{}", arg);
}

この例ではメソッドを実行していないが, メソッドを実行する場合に
トレイトオブジェクト -> 仮想関数テーブル -> 具象型のメソッド -> 実行
といった手順を踏んでいるのでオーバヘッドが発生して, 少し遅くなる.

詳しくは -> https://qiita.com/aaaoooiii/items/68386f497ee0c73222c2

返り値での利用

次は, 関数の返り値に抽象化を利用する方法について,
i32型の値を引数にとり, そのまま返却する関数を考える

静的ディスパッチ

まずは引数の時と同様に静的ディスパッチから

fn print<T: std::fmt::Display>(num: i32) -> T {
    match num {
        0 => 1 as i32,
        _ => "hello".to_string(),
    }
}

これでいいかと思いきや, これでは コンパイルエラー を起こす.
なぜか -> 関数の返り値はスタック上のサイズを知っている必要があるから.
言葉でもよく分からない場合のために.. またまたまたまた具体例. どんな時に矛盾が生じるか

静的ディスパッチなので, 内部的に型ごとの関数を作成しているはず. その時のことを考えると...
※ ここから先は, 矛盾を出すためだけのコードなので間違っているかも..何ですけど許してください.

// i32型用のprint
fn print_i32(num: i32) -> i32 {
    match num {
        0 => 1 as i32,
        _ => "hello".to_string(),
    }
}

// String型用のprint
fn print_string(num: i32) -> String {
    match num {
        0 => 1 as i32,
        _ => "hello".to_string(),
    }
}

この時点でおかしい. 例えはprint_stringでは返り値の型にString型を指定しているのに, i32型を返却する可能性がある.

ってことで, 静的ディスパッチを使って返り値を返却するのは無理っぽい(※ 無理じゃない. 後述)

動的ディスパッチ

次に動的ディスパッチを利用した場合は,

fn print(num: i32) -> Box<dyn std::fmt::Display> {
    match num {
        0 => Box::new(1 as i32),
        _ => Box::new("hello".to_string()),
    }
}

こっちは, コンパイルできる!!

でも... 静的ディスパッチしたい.. 動的ディスパッチは遅くなるし..

ってことで impl Trait

Impl Trait

まず何が嬉しいのか
=> 静的ディスパッチでトレイト(抽象型)を返すことができる.
ただし条件あり
返り値の型が1つに定まる必要がある.

fn print(num: i32) -> impl std::fmt::Display {
    match num {
        0 => Box::new(1 as i32),
        _ => Box::new(2 as i32),
    }
}

これならいいってこと.
ここで疑問..
ならこれで良くないか?

fn print(num: i32) -> i32 {
    match num {
        0 => Box::new(1 as i32),
        _ => Box::new(2 as i32),
    }
}

その通り. これでいい(笑)
だけどこの impl Trai を使うことで嬉しいタイミングがある
それは, クロージャを返却するとき. (※クロージャについての詳しい説明は他の記事で)

ただし, クロージャの型は分からない ってところだけは必要なので説明

クロージャと型

例えば, こんなクロージャを定義したとして, この型分かるやついる?! いねえよな!

let c: ? = |arg| {
    arg + x
};

ってこと. 真面目に言うと 匿名構造体 とやら
でクロージャ自体の型は分からないけど,
FnOnce, FnMut, Fn いずれかのトレイトは実装している.
↑ クロージャ3種盛りの話は違う記事で

完成系

で, 何らかのクロージャを返却する関数を考える.

fn count(n: u32) -> impl FnMut() -> u32 {
    let mut num = n;
    move || {num += 1; num}
}

ちょっと分かりづらいけど, FnMut() -> u32 <-これがトレイト
しっかり, 静的ディスパッチでトレイトを返却している
これで完成

補足

勿論, 動的ディスパッチでクロージャを返却することもできる.

fn count(n: u32) -> Box<dyn FnMut() -> u32> {
    let mut num = n;
    Box::new(move || {num += 1; num})
}

ただ, 基本的には静的ディスパッチをしたいので, この書き方はしないよね( impl Trait が出てくるまではこっちが主流)って話..

まとめ

抽象化プログラミングしたいな~
-> 引数の抽象化は簡単だけど, 返り値の抽象化だるいな~
-> 動的ディスパッチ Box なら割と簡単に記述できるんだけど速度がなぁ~
-> ん!? 静的ディスパッチで返却できるじゃん! しかもクロージャとの相性抜群!

って感じ？
以上！