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徹底理解閉包實(shí)現(xiàn)原理

前言

閉包對于一個長期寫 Java 的開發(fā)者來說估計鮮有耳聞，我在寫 Python 和 Go 之前也是沒怎么了解，光這名字感覺就有點(diǎn)"神秘莫測"，這篇文章的主要目的就是從編譯器的角度來分析閉包，徹底搞懂閉包的實(shí)現(xiàn)原理。

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函數(shù)一等公民

一門語言在實(shí)現(xiàn)閉包之前首先要具有的特性就是：First class function 函數(shù)是第一公民。

簡單來說就是函數(shù)可以像一個普通的值一樣在函數(shù)中傳遞，也能對變量賦值。

先來看看在 Go 里是如何編寫的：

package main
import "fmt"
var varExternal int

func f1() func(int) int {
 varInner := 20
 innerFun := func(a int) int {
  fmt.Println(a)
  varExternal++
  varInner++
  return varInner
 }
 return innerFun
}
func main() {
 varExternal = 10
 f2 := f1()
 for i := 0; i < 2; i++ {
  fmt.Printf("varInner=%d, varExternal=%d \n", f2(i), varExternal)
 }
 fmt.Println("======")

 f3 := f1()
 for i := 0; i < 2; i++ {
  fmt.Printf("varInner=%d, varExternal=%d \n", f3(i), varExternal)
 }
}
// Output:
0
varInner=21, varExternal=11 
1
varInner=22, varExternal=12 
======
0
varInner=21, varExternal=13 
1
varInner=22, varExternal=14

這里體現(xiàn)了閉包的兩個重要特性，第一個自然就是函數(shù)可以作為值返回，同時也能賦值給變量。

第二個就是在閉包函數(shù) f1() 對閉包變量 varInner 的訪問，每個閉包函數(shù)的引用都會在自己的函數(shù)內(nèi)部保存一份閉包變量 varInner，這樣在調(diào)用過程中就不會互相影響。
從打印的結(jié)果中也能看出這個特性。

作用域

閉包之所以不太好理解的主要原因是它不太符合自覺。

本質(zhì)上就是作用域的關(guān)系，當(dāng)我們調(diào)用 f1()? 函數(shù)的時候，會在棧中分配變量 varInner?，正常情況下調(diào)用完畢后 f1? 的棧會彈出，里面的變量 varInner 自然也會銷毀才對。

但在后續(xù)的 f2()? 和 f3()? 調(diào)用的時，卻依然能訪問到 varInner，就這點(diǎn)不符合我們對函數(shù)調(diào)用的直覺。

但其實(shí)換個角度來看，對 innerFun? 來說，他能訪問到 varExternal? 和 varInner? 變量，最外層的 varExternal 就不用說了，一定是可以訪問的。

但對于 varInner 來說就不一定了，這里得分為兩種情況；重點(diǎn)得看該語言是靜態(tài)/動態(tài)作用域。

就靜態(tài)作用域來說，每個符號在編譯器就確定好了樹狀關(guān)系，運(yùn)行時不會發(fā)生變化；也就是說 varInner? 對于 innerFun 這個函數(shù)來說在編譯期已經(jīng)確定可以訪問了，在運(yùn)行時自然也是可以訪問的。

但對于動態(tài)作用域來說，完全是在運(yùn)行時才確定訪問的變量是哪一個。

恰好 Go? 就是一個靜態(tài)作用域的語言，所以返回的 innerFun? 函數(shù)可以一直訪問到 varInner 變量。

實(shí)現(xiàn)閉包

但 Go 是如何做到在 f1() 函數(shù)退出之后依然能訪問到 f1() 中的變量呢？

這里我們不妨大膽假設(shè)一下：

首先在編譯期掃描出哪些是閉包變量，也就是這里的 varInner，需要將他保存到函數(shù) innerFun() 中。

f2 := f1()
f2()

運(yùn)行時需要判斷出 f2 是一個函數(shù)，而不是一個變量，同時得知道它所包含的函數(shù)體是 innerFun() 所定義的。

接著便是執(zhí)行函數(shù)體的 statement 即可。

而當(dāng) f3 := f1() 重新賦值給 f3 時，在 f2 中累加的 varInner 變量將不會影響到 f3，這就得需要在給 f3 賦值的重新賦值一份閉包變量到 f3 中，這樣便能達(dá)到互不影響的效果。

閉包掃描

GScript 本身也是支持閉包的，所以把 Go 的代碼翻譯過來便長這樣：

int varExternal =10;
func int(int) f1(){
 int varInner = 20;
 int innerFun(int a){
  println(a);
  int c=100;
  varExternal++;
  varInner++;
  return varInner;
 }
 return innerFun;
}
func int(int)= f1();
for(int i=0;i<2;i++){
 println("varInner=" + f2(i) + ", varExternal=" + varExternal);
}
println("=======");
func int(int)= f1();
for(int i=0;i<2;i++){
 println("varInner=" + f3(i) + ", varExternal=" + varExternal);
}
// Output:
0
varInner=21, varExternal=11
1
varInner=22, varExternal=12
=======
0
varInner=21, varExternal=13
1
varInner=22, varExternal=14

可以看到運(yùn)行結(jié)果和 Go 的一樣，所以我們來看看 GScript 是如何實(shí)現(xiàn)的便也能理解 Go 的原理了。

先來看看第一步掃描閉包變量：

allVariable := c.allVariable(function)查詢所有的變量，包括父 scope 的變量。

scopeVariable := c.currentScopeVariable(function)查詢當(dāng)前 scope 包含下級所有 scope 中的變量，這樣一減之后就能知道閉包變量了，然后將所有的閉包變量存放進(jìn)閉包函數(shù)中。

閉包賦值

之后在 return innerFun 處，將閉包變量的數(shù)據(jù)賦值到變量中。

閉包函數(shù)調(diào)用

func int(int)= f1();
func int(int)= f1();

在這里每一次賦值時，都會把 f1() 返回函數(shù)復(fù)制到變量 f2/f3 中，這樣兩者所包含的閉包變量就不會互相影響。

在調(diào)用函數(shù)變量時，判斷到該變量是一個函數(shù)，則直接返回函數(shù)。

之后直接調(diào)用該函數(shù)即可。

函數(shù)式編程

接下來便可以利用 First class function 來試試函數(shù)式編程：


class Test{
 int value=0;
 Test(int v){
  value=v;
 }
 int map(func int(int){
  return f(value);
 }
}
int square(int v){
 return v*v; 
}
int add(int v){
 return v++; 
}
int add2(int v){
 v=v+2;
 return v; 
}
Test t =Test(100);
func int(int)= square;
func int(int)= add;
func int(int)= add2;
println(t.map(s));
assertEqual(t.map(s),10000);

println(t.map(a));
assertEqual(t.map(a),101);

println(t.map(a2));
assertEqual(t.map(a2),102);

這個有點(diǎn)類似于 Java 中流的 map 函數(shù)，將函數(shù)作為值傳遞進(jìn)去，后續(xù)支持匿名函數(shù)后會更像是函數(shù)式編程，現(xiàn)在必須得先定義一個函數(shù)變量再進(jìn)行傳遞。

除此之外在 GScript 中的 http 標(biāo)準(zhǔn)庫也利用了函數(shù)是一等公民的特性：

// 標(biāo)準(zhǔn)庫：Bind route
httpHandle(string method, string path, func (HttpContext) handle){
    HttpContext ctx = HttpContext();
    handle(ctx);
}

在綁定路由時，handle 便是一個函數(shù)，使用的時候直接傳遞業(yè)務(wù)邏輯的 handle 即可：

func (HttpContext) handle (HttpContext ctx){
    Person p = Person();
    p.name = "abc";
    println("p.name=" + p.name);
    println("ctx=" + ctx);
    ctx.JSON(200, p);
}
httpHandle("get", "/p", handle);

總結(jié)

總的來說閉包具有以下特性：

函數(shù)需要作為一等公民。
編譯期掃描出所有的閉包變量。
在返回閉包函數(shù)時，為閉包變量賦值。
每次創(chuàng)建新的函數(shù)變量時，需要將閉包數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)去，這樣閉包變量才不會互相影響。
調(diào)用函數(shù)變量時，需要判斷為函數(shù)，而不是變量。

可以在 Playground 中體驗閉包函數(shù)打印裴波那切數(shù)列的運(yùn)用。

本文相關(guān)資源鏈接

GScript 源碼：https://github.com/crossoverJie/gscript。
Playground 源碼：https://github.com/crossoverJie/gscript-homepage。

本文名稱：徹底理解閉包實(shí)現(xiàn)原理
網(wǎng)站鏈接：http://m.fisionsoft.com.cn/article/dpgdehj.html