彻底理解闭包实现原理

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：

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。

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。

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：

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。

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先来看看第一步扫描闭包变量：

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

之后在 return innerFun 处，将闭包变量的数据赋值到变量中。

闭包函数调用

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。

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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：

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。

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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：

// 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：

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);

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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。

可以在 Playground 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
• Playground 源码：https://github.com/crossoverJie/gscript-homepage