徹底理解閉包實現原理

作者：crossoverJie 2022-10-24 08:08:27

開發前端

這篇文章的主要目的就是從編譯器的角度來分析閉包，徹底搞懂閉包的實現原理。

前言

閉包對于一個長期寫 Java 的開發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"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，徹底搞懂閉包的實現原理。

函數一等公民

一門語言在實現閉包之前首先要具有的特性就是：First class function 函數是第一公民。

簡單來說就是函數可以像一個普通的值一樣在函數中傳遞，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

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

第二個就是在閉包函數 f1() 對閉包變量 varInner 的訪問，每個閉包函數的引用都會在自己的函數內部保存一份閉包變量 varInner，這樣在調用過程中就不會互相影響。
從打印的結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。

本質上就是作用域的關系，當我們調用 f1()? 函數的時候，會在棧中分配變量 varInner?，正常情況下調用完畢后 f1? 的棧會彈出，里面的變量 varInner 自然也會銷毀才對。

但在后續的 f2()? 和 f3()? 調用的時，卻依然能訪問到 varInner，就這點不符合我們對函數調用的直覺。

但其實換個角度來看，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；重點得看該語言是靜態/動態作用域。

就靜態作用域來說，每個符號在編譯器就確定好了樹狀關系，運行時不會發生變化；也就是說 varInner? 對于 innerFun 這個函數來說在編譯期已經確定可以訪問了，在運行時自然也是可以訪問的。

但對于動態作用域來說，完全是在運行時才確定訪問的變量是哪一個。

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

實現閉包

但 Go 是如何做到在 f1() 函數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 innerFun() 中。

f2 := f1()
f2()

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

接著便是執行函數體的 statement 即可。

而當 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

可以看到運行結果和 Go 的一樣，所以我們來看看 GScript 是如何實現的便也能理解 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閉包函數中。

閉包賦值

之后在 return innerFun 處，將閉包變量的數據賦值到變量中。

閉包函數調用

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

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

在調用函數變量時，判斷到該變量是一個函數，則直接返回函數。

之后直接調用該函數即可。

函數式編程

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


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);

這個有點類似于 Java 中流的 map 函數，將函數作為值傳遞進去，后續支持匿名函數后會更像是函數式編程，現在必須得先定義一個函數變量再進行傳遞。

除此之外在 GScript 中的 http 標準庫也利用了函數是一等公民的特性：

// 標準庫：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，使用的時候直接傳遞業務邏輯的 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

總的來說閉包具有以下特性：

函數需要作為一等公民。
編譯期掃描出所有的閉包變量。
在返回閉包函數時，為閉包變量賦值。
每次創建新的函數變量時，需要將閉包數據復制進去，這樣閉包變量才不會互相影響。
調用函數變量時，需要判斷為函數，而不是變量。

可以在 Playground 中體驗閉包函數打印裴波那切數列的運用。

本文相關資源鏈接

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

責任編輯：姜華來源： crossoverJie

閉包編譯器