彻底理解闭包实现原理

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![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fiwryyq4j30zk0k03zp.jpg) # 前言 闭包对于一个长期写 `Java` 的开发者来说估计鲜有耳闻,我在写 `Python` 和 `Go` 之前也是没怎么了解,光这名字感觉就有点"神秘莫测",这篇文章的主要目的就是从编译器的角度来分析闭包,彻底搞懂闭包的实现原理。 # 函数一等公民 一门语言在实现闭包之前首先要具有的特性就是:`First class function` 函数是第一公民。 简单来说就是函数可以像一个普通的值一样在函数中传递,也能对变量赋值。 先来看看在 Go 里是如何编写的: ```go 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 ``` 这里体现了闭包的两个重要特性,第一个自然就是函数可以作为值返回,同时也能赋值给变量。 第二个就是在闭包函数 `f1()` 对闭包变量 `varInner` 的访问,每个闭包函数的引用都会在自己的函数内部保存一份闭包变量 `varInner`,这样在调用过程中就不会互相影响。 从打印的结果中也能看出这个特性。 # 作用域 闭包之所以不太好理解的主要原因是它不太符合自觉。 ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7flvftfujj30n80ouwg5.jpg) 本质上就是作用域的关系,当我们调用 `f1()` 函数的时候,会在栈中分配变量 `varInner`,正常情况下调用完毕后 `f1` 的栈会弹出,里面的变量 `varInner` 自然也会销毁才对。 但在后续的 `f2()` 和 `f3()` 调用的时,却依然能访问到 `varInner`,就这点不符合我们对函数调用的直觉。 但其实换个角度来看,对 `innerFun` 来说,他能访问到 `varExternal` 和 `varInner` 变量,最外层的 `varExternal` 就不用说了,一定是可以访问的。 但对于 `varInner` 来说就不一定了,这里得分为两种情况;重点得看该语言是**静态/动态**作用域。 就静态作用域来说,每个符号在编译器就确定好了树状关系,运行时不会发生变化;也就是说 `varInner` 对于 `innerFun` 这个函数来说在编译期已经确定可以访问了,在运行时自然也是可以访问的。 但对于动态作用域来说,完全是在运行时才确定访问的变量是哪一个。 恰好 `Go` 就是一个静态作用域的语言,所以返回的 `innerFun` 函数可以一直访问到 `varInner` 变量。 # 实现闭包 但 Go 是如何做到在 `f1()` 函数退出之后依然能访问到 `f1()` 中的变量呢? 这里我们不妨大胆假设一下: 首先在编译期扫描出哪些是闭包变量,也就是这里的 `varInner`,需要将他保存到函数 `innerFun()` 中。 ```go f2 := f1() f2() ``` 运行时需要判断出 `f2` 是一个函数,而不是一个变量,同时得知道它所包含的函数体是 `innerFun()` 所定义的。 接着便是执行函数体的 `statement` 即可。 而当 `f3 := f1()` 重新赋值给 `f3` 时,在 `f2` 中累加的 `varInner` 变量将不会影响到 `f3`,这就得需要在给 `f3` 赋值的重新赋值一份闭包变量到 `f3` 中,这样便能达到互不影响的效果。 ## 闭包扫描 `GScript` 本身也是支持闭包的,所以把 Go 的代码翻译过来便长这样: ```java 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) f2 = f1(); for(int i=0;i<2;i++){ println("varInner=" + f2(i) + ", varExternal=" + varExternal); } println("======="); func int(int) f3 = 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 ``` 可以看到运行结果和 Go 的一样,所以我们来看看 `GScript` 是如何实现的便也能理解 Go 的原理了。 ---- 先来看看第一步扫描闭包变量: ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fp22h48bj311m0ho41i.jpg) `allVariable := c.allVariable(function)` 查询所有的变量,包括父 `scope` 的变量。 `scopeVariable := c.currentScopeVariable(function)` 查询当前 `scope` 包含下级所有 `scope` 中的变量,这样一减之后就能知道闭包变量了,然后将所有的闭包变量存放进闭包函数中。 ## 闭包赋值 ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fpmtlr62j30om0f0wfr.jpg) 之后在 `return innerFun` 处,将闭包变量的数据赋值到变量中。 ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fpqkqqnyj311e0j8wia.jpg) ## 闭包函数调用 ```java func int(int) f2 = f1(); func int(int) f3 = f1(); ``` 在这里每一次赋值时,都会把 `f1()` 返回函数复制到变量 `f2/f3` 中,这样两者所包含的闭包变量就不会互相影响。 --- ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fpslouv1j31as0q4td8.jpg) 在调用函数变量时,判断到该变量是一个函数,则直接返回函数。 之后直接调用该函数即可。 ## 函数式编程 接下来便可以利用 `First class function` 来试试函数式编程: ```java class Test{ int value=0; Test(int v){ value=v; } int map(func int(int) f){ 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) s= square; func int(int) a= add; func int(int) a2= 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); ``` 这个有点类似于 Java 中流的 map 函数,将函数作为值传递进去,后续支持匿名函数后会更像是函数式编程,现在必须得先定义一个函数变量再进行传递。 --- 除此之外在 `GScript` 中的 `http` 标准库也利用了函数是一等公民的特性: ```java // 标准库:Bind route httpHandle(string method, string path, func (HttpContext) handle){ HttpContext ctx = HttpContext(); handle(ctx); } ``` 在绑定路由时,`handle` 便是一个函数,使用的时候直接传递业务逻辑的 `handle` 即可: ```java 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); ``` --- # 总结 总的来说闭包具有以下特性: - 函数需要作为一等公民。 - 编译期扫描出所有的闭包变量。 - 在返回闭包函数时,为闭包变量赋值。 - 每次创建新的函数变量时,需要将闭包数据复制进去,这样闭包变量才不会互相影响。 - 调用函数变量时,需要判断为函数,而不是变量。 ![](https://tva1.sinaimg.cn/large/008vxvgGly1h7fqgz0qtfj30u00ukwg9.jpg) 可以在 [Playground](https://gscript.crossoverjie.top/) 中体验闭包函数打印裴波那切数列的运用。 本文相关资源链接 - GScript 源码:[https://github.com/crossoverJie/gscript](https://github.com/crossoverJie/gscript) - Playground 源码:[https://github.com/crossoverJie/gscript-homepage](https://github.com/crossoverJie/gscript-homepage)

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