Rust 클로저 이해: Fn, FnMut 그리고 FnOnce에 대한 실질적 고찰

Rust 프로그래밍 언어에서 클로저는 익명 함수를 정의하고 주변 환경에서 변수를 캡처할 수 있게 해주는 강력하고 유연한 기능입니다. Rust의 클로저 시스템은 클로저가 캡처된 변수와 상호 작용하는 방식, 호출할 수 있는 횟수, 환경을 수정할 수 있는지 여부를 결정하는 세 가지 핵심 트레이트(Fn, FnMut, FnOnce)로 정의됩니다. 이러한 트레이트를 이해하는 것은 Rust의 클로저 메커니즘을 마스터하고 효율적이고 안전한 코드를 작성하는 데 매우 중요합니다.

이 기사에서는 관련 개념을 포괄적으로 학습할 수 있도록 코드 예제와 함께 정의, 사용 사례, 방법, 적용 가능한 시나리오 및 모범 사례를 포함하여 세 가지 트레이트(Fn, FnMut 및 FnOnce)에 대한 자세한 소개를 제공합니다.

Fn, FnMut 및 FnOnce란 무엇인가요?

Fn, FnMut 및 FnOnce는 클로저(또는 호출 가능한 객체)의 동작을 설명하기 위해 Rust의 표준 라이브러리에 정의된 세 가지 트레이트입니다. 주요 차이점은 캡처된 변수에 액세스하는 방법과 호출 시 소유권 규칙에 있습니다.

• FnOnce: 클로저를 한 번 호출할 수 있음을 나타냅니다. 호출된 후 클로저 자체가 소비되어 더 이상 사용할 수 없습니다.
• FnMut: 클로저를 여러 번 호출할 수 있으며 호출 시 캡처된 변수를 수정할 수 있음을 나타냅니다.
• Fn: 클로저를 여러 번 호출할 수 있으며 수정하지 않고 캡처된 변수만 읽음을 나타냅니다.

이러한 세 가지 트레이트 간에는 상속 관계가 있습니다.

• Fn은 FnMut에서 상속하고 FnMut는 FnOnce에서 상속합니다.
• 따라서 클로저가 Fn을 구현하면 FnMut 및 FnOnce도 자동으로 구현합니다. FnMut를 구현하면 FnOnce도 구현합니다.

각 트레이트의 정의

FnOnce

FnOnce 트레이트는 다음 서명으로 call_once 메서드를 정의합니다.

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

• 특성: call_once는 &self 또는 &mut self 대신 self를 사용합니다. 즉, 클로저가 호출되면 자체 소유권을 이전하므로 한 번만 호출할 수 있습니다.
• 사용 사례: 클로저가 캡처된 변수를 이동하거나 일회성 작업을 수행해야 하는 시나리오에 적합합니다.

FnMut

FnMut 트레이트는 다음 서명으로 call_mut 메서드를 정의합니다.

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

• 특성: call_mut는 &mut self를 사용하므로 클로저는 호출 시 내부 상태 또는 캡처된 변수를 수정할 수 있으며 여러 번 호출할 수 있습니다.
• 사용 사례: 클로저가 여러 호출에서 환경을 수정해야 하는 시나리오에 적합합니다.

Fn

Fn 트레이트는 다음 서명으로 call 메서드를 정의합니다.

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

• 특성: call은 &self를 사용합니다. 즉, 클로저는 자체 및 캡처된 변수를 변경 불가능하게 빌립니다. 환경을 수정하지 않고 여러 번 호출할 수 있습니다.
• 사용 사례: 클로저를 여러 번 호출해야 하고 데이터만 읽는 시나리오에 적합합니다.

클로저가 이러한 트레이트를 구현하는 방법

Rust의 컴파일러는 캡처된 변수를 사용하는 방식에 따라 클로저가 구현하는 트레이트를 자동으로 결정합니다. 클로저는 다음 세 가지 방법으로 변수를 캡처할 수 있습니다.

• 값으로(이동): 클로저가 변수의 소유권을 가져옵니다.
• 가변 참조(&mut): 클로저가 변수에 대한 가변 참조를 캡처합니다.
• 불변 참조(&): 클로저가 변수에 대한 불변 참조를 캡처합니다.

구현된 트레이트는 캡처된 변수가 사용되는 방식에 따라 달라집니다.

• FnOnce만 구현: 클로저가 캡처된 변수를 이동합니다.
• FnMut 및 FnOnce 구현: 클로저가 캡처된 변수를 수정합니다.
• Fn, FnMut 및 FnOnce 구현: 클로저가 캡처된 변수만 읽습니다.

코드 예제

FnOnce 구현 클로저

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let closure = move || {
        drop(s); // s를 이동하고 삭제합니다.
    };
    closure(); // 한 번 호출됨
    // closure(); // 오류: 클로저가 소비되었습니다.
}

설명: 클로저는 이동하여 s를 캡처하고 호출될 때 삭제합니다. s가 이동되었으므로 클로저는 한 번만 호출할 수 있으므로 FnOnce만 구현합니다.

FnMut 구현 클로저

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let mut closure = || {
        s.push_str(" world"); // s를 수정합니다.
    };
    closure(); // 첫 번째 호출
    closure(); // 두 번째 호출
    println!("{}", s); // "hello world world"를 출력합니다.
}

설명: 클로저는 가변 참조로 s를 캡처하고 각 호출마다 수정합니다. 환경을 수정해야 하므로 FnMut 및 FnOnce를 구현합니다.

Fn 구현 클로저

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let closure = || {
        println!("{}", s); // 수정 없이 s를 읽습니다.
    };
    closure(); // 첫 번째 호출
    closure(); // 두 번째 호출
}

설명: 클로저는 불변 참조로 s를 캡처하고 수정 없이 읽기만 합니다. 따라서 Fn, FnMut 및 FnOnce를 구현합니다.

함수 매개변수에서 이러한 트레이트 사용

클로저는 함수에 인수로 전달할 수 있으며 함수는 트레이트 바운드를 사용하여 필요한 클로저 동작을 지정해야 합니다.

FnOnce 사용

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

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

설명: call_once는 FnOnce 클로저를 허용하고 한 번 호출하여 캡처된 변수를 이동하는 클로저에 적합합니다.

FnMut 사용

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); // "hello world world"를 출력합니다.
}

설명: call_mut는 FnMut 클로저를 허용하고 두 번 호출합니다. 클로저는 캡처된 변수를 수정할 수 있습니다. f는 mut로 선언해야 합니다.

Fn 사용

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

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

설명: call_fn은 Fn 클로저를 허용하고 두 번 호출합니다. 클로저는 캡처된 변수만 읽습니다.

각 트레이트를 사용하는 시기?

올바른 트레이트 선택은 클로저에 필요한 동작에 따라 달라집니다.

FnOnce

• 사용 사례: 클로저를 한 번만 호출하거나 캡처된 변수를 이동해야 합니다.
• 예: 소유권을 이전하는 일회성 작업입니다.

FnMut

• 사용 사례: 클로저를 여러 번 호출하고 캡처된 변수를 수정해야 합니다.
• 예: 카운터 또는 상태 업데이트입니다.

Fn

• 사용 사례: 클로저를 여러 번 호출해야 하고 캡처된 변수만 읽습니다.
• 예: 로깅 또는 데이터 쿼리입니다.

함수를 설계할 때 가장 허용적인 트레이트를 선택하면 유연성이 높아집니다. 예를 들어 FnOnce는 모든 클로저를 허용하지만 호출을 제한하는 반면 Fn은 여러 번 호출할 수 있지만 불변성이 필요합니다.

모범 사례

• Fn 선호: 클로저가 변수를 수정할 필요가 없는 경우 최대 호환성을 위해 Fn을 사용합니다.
• 수정이 필요한 경우 FnMut 사용: 클로저가 상태를 업데이트해야 하는 경우 FnMut를 선택합니다.
• 단일 사용 클로저에는 FnOnce 사용: 클로저가 변수를 이동하거나 일회성 작업을 수행하는 경우 FnOnce를 사용합니다.
• API에 적합한 트레이트 선택: 단일 사용 호출에는 FnOnce를, 여러 읽기 전용 호출에는 Fn을, 수정이 있는 여러 호출에는 FnMut를 사용합니다.
• 수명에 유의: 캡처된 변수가 대여 오류를 방지할 수 있을 만큼 오래 유지되도록 합니다.

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