徹底理解閉包實現原理
前言
閉包對於一個長期寫 Java 的開發者來說估計鮮有耳聞，我在寫 Python 和 Go 之前也是沒怎麼了解，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，也能對變數賦值。
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
這裡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，同時也能賦值給變數。
第二個就是在閉包函數 f1() 對閉包變數 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數 varInner，這樣在調用過程中就不會互相影響。
從列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係，當我們調用 f1() 函數的時候，會在棧中分配變數 varInner，正常情況下調用完畢後 f1 的棧會彈出，裡面的變數 varInner 自然也會銷毀才對。
但在後續的 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 變數，最外層的 varExternal 就不用說了，一定是可以訪問的。
但對於 varInner 來說就不一定了，這裡得分為兩種情況；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係，運行時不會發生變化；也就是說 varInner 對於 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。
但對於動態作用域來說，完全是在運行時才確定訪問的變數是哪一個。
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 變數。
實現閉包
但 Go 是如何做到在 f1() 函數退出之後依然能訪問到 f1() 中的變數呢？
這裡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數，也就是這裡的 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，而不是一個變數，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 變數將不會影響到 f3，這就得需要在給 f3 賦值的重新賦值一份閉包變數到 f3 中，這樣便能達到互不影響的效果。
閉包掃描
GScript 本身也是支援閉包的，所以把 Go 的程式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) 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數：
allVariable := c.allVariable(function)
查詢所有的變數，包括父 scope 的變數。
scopeVariable := c.currentScopeVariable(function)
查詢當前 scope 包含下級所有 scope 中的變數，這樣一減之後就能知道閉包變數了，然後將所有的閉包變數存放進閉包函數中。
閉包賦值
之後在 return innerFun 處，將閉包變數的數據賦值到變數中。
閉包函數調用
func int(int) f2 = f1();
func int(int) f3 = f1();
在這裡每一次賦值時，都會把 f1() 返回函數複製到變數 f2/f3 中，這樣兩者所包含的閉包變數就不會互相影響。
在調用函數變數時，判斷到該變數是一個函數，則直接返回函數。
之後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) 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);
這個有點類似於 Java 中流的 map 函數，將函數作為值傳遞進去，後續支援匿名函數後會更像是函數式編程，現在必須得先定義一個函數變數再進行傳遞。
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數。
- 在返回閉包函數時，為閉包變數賦值。
- 每次創建新的函數變數時，需要將閉包數據複製進去，這樣閉包變數才不會互相影響。
- 調用函數變數時，需要判斷為函數，而不是變數。
可以在 Playground 中體驗閉包函數列印裴波那切數列的運用。
本文相關資源鏈接
-
GScript 源碼：//github.com/crossoverJie/gscript
-
Playground 源碼：//github.com/crossoverJie/gscript-homepage
