SUKJOON OH

Observer, learner, dreamer.

클로저 (Closures)

이 포스트는 Rust를 처음 공부하면서 정리한 내용입니다. 해당 포스트는 개인적으로 기억하기 위한 메모 성격에 가깝습니다. “러스트 프로그래밍 공식 가이드 (2018, 제이펍)” 서적을 참고하였으며, 러스트 공식 사이트 에서 책과 동일한 내용을 찾을 수 있습니다. 따라서 더 자세한 내용을 찾으시면 위의 링크를 참고하시면 좋습니다.

클로저(Closures)란 함수형 프로그래밍 패러다임에서 자주 쓰이는 개념입니다. Rust 가이드 에서는 변수에 저장이 가능한 함수 형식 이라고 설명하고 있습니다. 함수형 프로그래밍에 관련해서는 아직 잘 모르기 때문에 이와 관련된 개념은 깊게 들어가지 않고 Rust 에서 지원하는 익명 함수 (Anonymous Functions)의 사용법에 관련해서만 정리하겠습니다.

문법 (Syntax)

C++11 람다 함수

Rust의 클로저는 C++11 부터 지원하는 람다 함수 문법을 생각하시면 됩니다. 잠깐 복습하고 가겠습니다. C++ 에서의 람다 함수는 아래와 같은 형식을 따릅니다.

[ captures ] ( params ) trailing_return_type { body }

위의 형식을 따르는 간단한 예시입니다.

auto glambda = [](auto a, auto&& b) -> bool { return a < b; };

a 인자와 b인자를 가지고 bool 타입의 반환값을 리턴하는 함수입니다. 이때 꺾쇠 안에는 캡처(Captures)를 지정하며, 캡처란 람다 함수 내부에서 외부 변수를 잡는 방식을 명시하는 방법입니다. 캡처는 크게 두 가지 방식이 있었습니다.

  • [=] : 모든 외부 변수를 값으로 전달받아서 캡쳐
  • [&] : 모든 외부 변수를 참조로 전달받아서 캡쳐

Rust의 클로저

클로저는 아래와 같은 문법 형식을 따릅니다. 이는 C++의 람다 함수와 비슷한 형태를 띄고 있습니다. 클로저는 일반 함수처럼 매개 변수와 리턴값의 타입을 지정할 필요는 없습니다. 함수에서 타입을 지정해야 하는 이유는 사용자에게 노출되는 인터페이스이기 때문인데, 클로저는 인터페이스처럼 동작하지 않기 때문입니다.

C++ 에서 사용되는 람다 함수를 생각해보면 이해가 쉽습니다. 다양한 시나리오를 처리하는 함수와는 다르게 람다 함수는 제한된 범위에서 실행되기 때문입니다. 즉, 실행 문맥이 제한되어 있으므로 컴파일러는 쉽게 매개 변수와 리턴 타입을 추론할 수 있습니다. 단, 익명 함수가 구체화 되는 경우 하나의 타입만을 사용합니다.

let sample_closure = |x| x;

let sample_closure(String::from("Hello Rust!"));
let sample_closure(5);

위의 예제는 컴파일 되지 않습니다.

물론, 타입을 지정할 수도 있습니다. 아래의 예시를 참고합시다.

let plus_one = |x: i32| x + 1;
let plus_one_2 = |x: i32| -> i32 { x + 1 };

let plus_two = |x| {
    let mut result: i32 = x;

    result += 1;
    result += 1;

    result
};

fn 키워드로 생성하는 일반적인 함수 형태와 비교하면 아래와 같습니다. 차이점이라면 인수를 작성하는 괄호 ( ) 대신 파이프 | |가 이용됩니다.

fn  plus_one_v1   (x: i32) -> i32 { x + 1 }
let plus_one_v2 = |x: i32| -> i32 { x + 1 };
let plus_one_v3 = |x: i32|          x + 1  ;
let plus_one_v4 = |x|               x + 1 ;

캡처 (Captures)

Rust 에서 캡처란 익명 함수가 정의된 범위 내의 변수에 접근할 수 있는 기능입니다. 이는 C++에서 사용되는 개념과 동일합니다.

기본 캡쳐: Borrow

기본적으로 익명 함수는 외부 변수를 대여(Borrow)합니다.

let num = 5;
let plus_num = |x: i32| x + num;

그렇다면 아래의 코드는 어떻게 될까요?

let mut num = 5;
let plus_num = |x: i32| x + num;

let y = &mut num;

sc1

클로저에서 num 변수에 대한 대여가 끝나지 않았기 때문에 &mut 형식의 대여가 허용되지 않는다는 에러 메세지를 볼 수 있습니다.

만일 가변 대여(Mutable Borrow)를 원하는 경우 아래와 같은 클로저를 선언하면 됩니다.

let mut plus_num = |x: i32| x + num;

move 클로저

클로저에게 소유권을 부여해야 하는 경우 move 키워드를 사용하면 됩니다. move는 강제적으로 외부 환경의 변수에 대한 소유권을 이동시킵니다.

let num = 5;
let owns_num = move |x: i32| x + num;

이때 가이드에서는 아래와 같이 설명하고 있습니다.

Now, even though the keyword is move, the variables follow normal move semantics.

즉 기본 move 메커니즘을 따른다는 것인데, 소유권과 대여에 대한 이해 포스트에서 언급한 내용을 잠깐 다시 가져오겠습니다. 위의 예시에서 num 변수는 기본 스칼라 타입입니다. 따라서 Copy 트레이트가 적용되어 있기 때문에 소유권이 이동되는 것이 아니라 값이 복사되어 넘어갑니다. 따라서 아래의 코드를 실행시키면 다음의 결과가 나타납니다.

fn main() {
    let mut num = 5;
    let plus_num = |x: i32| x + num;

    let num_2 = plus_num(5);

    println!("num_2: {}", num_2);
    println!("num: {}", num);

    let mut owns_num = move || {
        num = 100;
        num
    };


    let num_3 = owns_num();

    println!("num_3: {}", num_3);
    println!("num: {}", num);

}

sc1

위의 plus_num 함수는 대여하여 num 변수를 가져가고 있고, owns_num의 경우는 move 키워드를 이용하여 강제로 소유권을 이동시키고 있습니다. 따라서 소유권이 이동하였으므로 기존의 num 변수가 100을 가지도록 수정되어야 하지만 owns_num 함수가 불렸음에도 불구하고 값이 변하지 않았음을 볼 수 있습니다. 즉, 소유권의 move 가 아니라 복사된 값의 소유권을 가지게 되었음을 알 수 있습니다.

클로저는 자신의 주변에서 값을 캠처할 때 본문에서 사용할 값을 메모리에 저장합니다. 따라서 캡처가 없는 클로저보다 캡처가 존재하는 클로저의 경우 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

클로저 저장하기: Fn, FnOnce, FnMut

위의 간단한 예제에서 클로저는 변수에 할당할 수 있었습니다. 이는 구조체의 필드에 저장하는 경우에도 가능합니다. 그러나 구조체를 선언하는 경우는 미리 필드의 (이 경우 클로저의 타입) 타입을 알고 있어야 합니다. 그리고 클로저의 인스턴스는 각자 유일한 익명 타입을 가집니다. 따라서 같은 시그니처의 클로저라도 다른 타입으로 인식합니다.

클로저를 사용하는 구조체나 열거자, 함수 등을 선언하려면 제네릭과 트레이트 경계를 활용해야 합니다.

struct SomeStruct<T> 
    where T: Fn(u32) -> u32
{
    some_closure: T,
    some_value: i32
}

some_closure 변수는 T 타입을 가지며 트레이트 경계는 Fn(u32) -> u32 로 지정되어 있습니다. 이 클로저는 반드시 하나의 u32 타입의 매개변수를 가져야 하고, 반드시 u32 타입의 리턴 값을 반환해야 합니다.

함수의 인자로 클로저 형태를 지정할 수도 있습니다. 이는 마찬가지로 아래와 같이 작성합니다.

fn call_with_one<F>(some_closure: F) -> i32
    where F: Fn(i32) -> i32 {

    some_closure(1)
}

let answer = call_with_one(|x| x + 2);

assert_eq!(3, answer);

이때 지정한 Fn은 트레이트입니다. Fn, FnOnce, FnMut 트레이트는 같은 범위에 선언된 변수(환경, Environment)를 캡처해오는 방식을 지정합니다.

  • Fn : Environment의 값을 불변으로 대여합니다. (immutable borrow)
  • FnOnce : Environment 변수의 소유권을 클로저 안으로 이동시킵니다. Once는 같은 값에 대한 소유권은 오직 한 번만 가진다는 의미입니다.
  • FnMut : Environment의 값을 가변으로 대여합니다. (mutable borrow)

태그:

카테고리:

업데이트:

참고