在Go语言中来理解函数编程 – 闭包函数漫谈(Closure) = 函数+引用环境

在一些语言中,在函数中可以(嵌套)定义另一个函数时,如果内部的函数引用了外部的函数的变量,则可能产生闭包。运行时,一旦外部的 函数被执行,一个闭包就形成了,闭包中包含了内部函数的代码,以及所需外部函数中的变量的引用。其中所引用的变量称作上值(upvalue)。

闭包和状态表达

闭包可以用来在一个函数与一组“私有”变量之间创建关联关系。在给定函数被多次调用的过程中,这些私有变量能够保持其持久性。变量的作用域仅限于包 含它们的函数,因此无法从其它程序代码部分进行访问。不过,变量的生存期是可以很长,在一次函数调用期间所创建所生成的值在下次函数调用时仍然存在。正因 为这一特点,闭包可以用来完成信息隐藏,并进而应用于需要状态表达的某些编程范型中。

不过,用这种方式来使用闭包时,闭包不再具有引用透明性,因此也不再是纯函数。即便如此,在某些“近似于函数式编程语言”的语言,例如Scheme中,闭包还是得到了广泛的使用。

闭包的实现

典型实现方式是定义一个特殊的数据结构,保存了函数地址指针与闭包创建时的函数的词法环境表示(那些nonlocal变量的绑定)。使用函数调用栈的语言实现闭包比较困难,因而这也说明了为什么大多数实现闭包的语言是基于垃圾收集机制。

在函数编程中经常用到闭包。闭包是什么,它是怎么产生的及用来解决什么问题呢。给出字面的定义先:闭包是由函数及其相关的引用环境组合而成的实体(即:闭 包=函数+引用环境)。这个从字面上很难理解,特别对于一直使用命令式语言进行编程的程序员们。本文将结合实例代码进行解释。
函数是什么
地球人都知道:函数只是一段可执行代码,编译后就“固化”了,每个函数在内存中只有一份实例,得到函数的入口点便可以执行函数了。在函数式编程语言中,函 数是一等公民(First class value:第一类对象,我们不需要像命令式语言中那样借助函数指针,委托操作函数),函数可以作为另一个函数的参数或返回值,可以赋给一个变量。函数可 以嵌套定义,即在一个函数内部可以定义另一个函数,有了嵌套函数这种结构,便会产生闭包问题。如:

复制代码

>>> func  ExFunc(x int) func() int {
              sum := x
              return func() int {

                                     return sum + 1
             }
         }
>>> myFunc := ExFunc(10)
>>> fmt.Println(myFunc())
11
>>> myAnotherFunc := ExFunc(20)
>>> fmt.Println(myAnotherFunc())
21
>>> fmt.Println(myFunc())
11
>>>fmt.Println(myAnotherFunc())
21
>>>

复制代码

在这段程序中,函数InsFunc是函数ExFunc的内嵌函数,并且是ExFunc函数的返回值。我们注意到一个问题:内嵌函数InsFunc中 引用到外层函数中的局部变量sum,先让我们来看看这段代码的运行结果。当我们调用分别由不同的参数调用 ExFunc函数得到的函数时(myFunc(),myAnotherFunc()),得到的结果是隔离的,也就是说每次调用ExFunc函数后都将生成并保存一个新的局部变量sum。其实这里ExFunc函数返回的就是闭包。

引用环境
按照命令式语言的规则,ExFunc函数只是返回了内嵌函数InsFunc的地址,在执行InsFunc函数时将会由于在其作用域内找不到sum变量而出 错。而在函数式语言中,当内嵌函数体内引用到体外的变量时,将会把定义时涉及到的引用环境和函数体打包成一个整体(闭包)返回。现在给出引用环境的定义就 容易理解了:引用环境是指在程序执行中的某个点所有处于活跃状态的约束(一个变量的名字和其所代表的对象之间的联系)所组成的集合。闭包的使用和正常的函 数调用没有区别。

由于闭包把函数和运行时的引用环境打包成为一个新的整体,所以就解决了函数编程中的嵌套所引发的问题。如上述代码段中,当每次调用ExFunc函数 时都将返回一个新的闭包实例,这些实例之间是隔离的,分别包含调用时不同的引用环境现场。不同于函数,闭包在运行时可以有多个实例,不同的引用环境和相同 的函数组合可以产生不同的实例。

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