Golang中的閉包怎么實現

這篇文章主要介紹了Golang中的閉包怎么實現的相關知識，內容詳細易懂，操作簡單快捷，具有一定借鑒價值，相信大家閱讀完這篇Golang中的閉包怎么實現文章都會有所收獲，下面我們一起來看看吧。

1、什么是閉包？

在真正講述閉包之前，我們先鋪墊一點知識點：

• 函數式編程

• 函數作用域

• 作用域的繼承關系

1.1 前提知識鋪墊

1.2.1 函數式編程

函數式編程是一種編程范式，看待問題的一種方式，每一個函數都是為了用小函數組織成為更大的函數，函數的參數也是函數，函數返回的也是函數。我們常見的編程范式有：

• 命令式編程：

• 主要思想為：關注計算機執行的步驟，也就是一步一步告訴計算機先做什么再做什么。

• 先把解決問題步驟規范化，抽象為某種算法，然后編寫具體的算法去實現，一般只要支持過程化編程范式的語言，我們都可以稱為過程化編程語言，比如 BASIC，C 等。

• 聲明式編程：

• 主要思想為：告訴計算機應該做什么，但是不指定具體要怎么做，比如 SQL，網頁編程的 HTML，CSS。

• 函數式編程：

• 只關注做什么而不關注怎么做，有一絲絲聲明式編程的影子，但是更加側重于”函數是第一位“的原則，也就是函數可以出現在任何地方，參數、變量、返回值等等。

函數式編程可以認為是面向對象編程的對立面，一般只有一些編程語言會強調一種特定的編程方式，大多數的語言都是多范式語言，可以支持多種不同的編程方式，比如 JavaScript ，Go 等。

函數式編程是一種思維方式，將電腦運算視為函數的計算，是一種寫代碼的方法論，其實我應該聊函數式編程，然后再聊到閉包，因為閉包本身就是函數式編程里面的一個特點之一。

在函數式編程中，函數是頭等對象，意思是說一個函數，既可以作為其它函數的輸入參數值，也可以從函數中返回值，被修改或者被分配給一個變量。(維基百科)

一般純函數編程語言是不允許直接使用程序狀態以及可變對象的，函數式編程本身就是要避免使用 共享狀態，可變狀態，盡可能避免產生 副作用。

函數式編程一般具有以下特點：

• 函數是第一等公民：函數的地位放在第一位，可以作為參數，可以賦值，可以傳遞，可以當做返回值。

• 沒有副作用：函數要保持純粹獨立，不能修改外部變量的值，不修改外部狀態。

• 引用透明：函數運行不依賴外部變量或者狀態，相同的輸入參數，任何情況，所得到的返回值都應該是一樣的。

1.2.2 函數作用域

作用域（scope），程序設計概念，通常來說，一段程序代碼中所用到的名字并不總是有效/可用的，而限定這個名字的可用性的代碼范圍就是這個名字的作用域。

通俗易懂的說，函數作用域是指函數可以起作用的范圍。函數有點像盒子，一層套一層，作用域我們可以理解為是個封閉的盒子，也就是函數的局部變量，只能在盒子內部使用，成為獨立作用域。

函數內的局部變量，出了函數就跳出了作用域，找不到該變量。（里層函數可以使用外層函數的局部變量，因為外層函數的作用域包括了里層函數），比如下面的 innerTmep 出了函數作用域就找不到該變量，但是 outerTemp 在內層函數里面還是可以使用。

不管是任何語言，基本存在一定的內存回收機制，也就是回收用不到的內存空間，回收的機制一般和上面說的函數的作用域是相關的，局部變量出了其作用域，就有可能被回收，如果還被引用著，那么就不會被回收。

1.2.3 作用域的繼承關系

所謂作用域繼承，就是前面說的小盒子可以繼承外層大盒子的作用域，在小盒子可以直接取出大盒子的東西，但是大盒子不能取出小盒子的東西，除非發生了逃逸（逃逸可以理解為小盒子的東西給出了引用，大盒子拿到就可以使用）。一般而言，變量的作用域有以下兩種：

• 全局作用域：作用于任何地方

• 局部作用域：一般是代碼塊，函數、包內，函數內部聲明/定義的變量叫局部變量，作用域僅限于函數內部

1.2 閉包的定義

“多數情況下我們并不是先理解后定義，而是先定義后理解“，先下定義，讀不懂沒關系：

閉包（closure）是一個函數以及其捆綁的周邊環境狀態（lexical environment，詞法環境）的引用的組合。 換而言之，閉包讓開發者可以從內部函數訪問外部函數的作用域。 閉包會隨著函數的創建而被同時創建。

一句話表述：

$$\text{閉包}=\text{函數}+\text{引用環境}$$

以上定義找不到 Go語言 這幾個字眼，聰明的同學肯定知道，閉包是和語言無關的，不是 JavaScript 特有的，也不是 Go 特有的，而是函數式編程語言的特有的，是的，你沒有看錯，任何支持函數式編程的語言都支持閉包，Go 和 JavaScript 就是其中之二， 目前 Java 目前版本也是支持閉包的，但是有些人可能認為不是完美的閉包，詳細情況文中討論。

1.3 閉包的寫法

1.3.1 初看閉包

下面是一段閉包的代碼：

import "fmt"

func main() {
	sumFunc := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
}
func lazySum(arr []int) func() int {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	var sum = func() int {
		fmt.Println("求結果...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}
		return result
	}
	return sum
}

輸出的結果：


先獲取函數，不求結果
等待一會
求結果...
結果： 15

上面的函數或許還可以更進一步，體現出捆綁函數和其周圍的狀態，我們加上一個次數 count：

import "fmt"
func main() {
	sumFunc := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
}func lazySum(arr []int) func() int {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	count := 0
	var sum = func() int {
		count++
		fmt.Println("第", count, "次求結果...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}		return result
	}	return sum
}

上面代碼輸出什么呢？次數 count 會不會發生變化，count明顯是外層函數的局部變量，但是在內存函數引用（捆綁），內層函數被暴露出去了，執行結果如下：


先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求結果...
結果： 15
第 2 次求結果...
結果： 15
第 3 次求結果...
結果： 15

• 函數體內嵌套了另外一個函數，并且返回值是一個函數。

• 內層函數被暴露出去，被外層函數以外的地方引用著，形成了閉包。

此時有人可能有疑問了，前面是lazySum（）被創建了 1 次，執行了 3 次，但是如果是 3 次執行都是不同的創建，會是怎么樣呢？實驗一下：

import "fmt"
func main() {
	sumFunc := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())

	sumFunc1 := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc1())

	sumFunc2 := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc2())
}func lazySum(arr []int) func() int {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	count := 0
	var sum = func() int {
		count++
		fmt.Println("第", count, "次求結果...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}		return result
	}	return sum
}

執行的結果如下，每次執行都是第 1 次：


先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求結果...
結果： 15
先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求結果...
結果： 15
先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求結果...
結果： 15

閉包被創建的時候，引用的外部變量count就已經被創建了 1 份，也就是各自調用是沒有關系的。

繼續拋出一個問題，**如果一個函數返回了兩個函數，這是一個閉包還是兩個閉包呢？**下面我們實踐一下：

一次返回兩個函數，一個用于計算加和的結果，一個計算乘積：

import "fmt"
func main() {
	sumFunc, productSFunc := lazyCalculate([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
	fmt.Println("結果：", productSFunc())
}func lazyCalculate(arr []int) (func() int, func() int) {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	count := 0
	var sum = func() int {
		count++
		fmt.Println("第", count, "次求加和...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}		return result
	}	var product = func() int {
		count++
		fmt.Println("第", count, "次求乘積...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result * v
		}		return result
	}	return sum, product
}

運行結果如下：


先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求加和...
結果： 15
第 2 次求乘積...
結果： 0

閉包綁定了周圍的狀態，我理解此時的函數就擁有了狀態，讓函數具有了對象所有的能力，函數具有了狀態。

1.3.2 閉包中的指針和值

上面的例子，我們閉包中用到的都是數值，如果我們傳遞指針，會是怎么樣的呢？

import "fmt"
func main() {
	i := 0
	testFunc := test(&i)
	testFunc()
	fmt.Printf("outer i = %d\n", i)
}func test(i *int) func() {
	*i = *i + 1
	fmt.Printf("test inner i = %d\n", *i)	return func() {
		*i = *i + 1
		fmt.Printf("func inner i = %d\n", *i)
	}
}

運行結果如下：


test inner i = 1
func inner i = 2
outer i = 2

當我們函數的參數是指針的時候，參數會拷貝一份這個指針地址，當做參數進行傳遞，因為本質還是地址，所以內部修改的時候，仍然可以對外部產生影響。

閉包里面的數據其實地址也是一樣的，下面的實驗可以證明：

func main() {
	i := 0
	testFunc := test(&i)
	testFunc()
	fmt.Printf("outer i address %v\n", &i)
}
func test(i *int) func() {
	*i = *i + 1
	fmt.Printf("test inner i address %v\n", i)
	return func() {
		*i = *i + 1
		fmt.Printf("func inner i address %v\n", i)
	}
}

輸出如下, 因此可以推斷出，閉包如果引用外部環境的指針數據，只是會拷貝一份指針地址數據，而不是拷貝一份真正的數據(==先留個問題：拷貝的時機是什么時候呢==)：


test inner i address 0xc0003fab98
func inner i address 0xc0003fab98
outer i address 0xc0003fab98

1.3.2 閉包延遲化

上面的例子仿佛都在告訴我們，閉包創建的時候，數據就已經拷貝了，但是真的是這樣么？

下面是繼續前面的實驗：

func main() {
	i := 0
	testFunc := test(&i)
	i = i + 100
	fmt.Printf("outer i before testFunc  %d\n", i)
	testFunc()
	fmt.Printf("outer i after testFunc %d\n", i)
}func test(i *int) func() {
	*i = *i + 1
	fmt.Printf("test inner i = %d\n", *i)
		return func() {
		*i = *i + 1
		fmt.Printf("func inner i = %d\n", *i)
	}
}

我們在創建閉包之后，把數據改了，之后執行閉包，答案肯定是真實影響閉包的執行，因為它們都是指針，都是指向同一份數據：


test inner i = 1
outer i before testFunc  101
func inner i = 102
outer i after testFunc 102

import "fmt"

func main() {
	sumFunc := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
}
func lazySum(arr []int) func() int {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	count := 0
	var sum = func() int {
		fmt.Println("第", count, "次求結果...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}
		return result
	}
	count = count + 100
	return sum
}

等待一會
第 100 次求結果...
結果： 15

如果還沒看明白沒關系，我們再來一個例子：

func main() {
	funcs := testFunc(100)
	for _, v := range funcs {
		v()
	}
}
func testFunc(x int) []func() {
	var funcs []func()
	values := []int{1, 2, 3}
	for _, val := range values {
		funcs = append(funcs, func() {
			fmt.Printf("testFunc val = %d\n", x+val)
		})
	}
	return funcs
}

上面的例子，我們閉包返回的是函數數組，本意我們想入每一個 val 都不一樣，但是實際上 val都是一個值，==也就是執行到return funcs 的時候（或者真正執行閉包函數的時候）才綁定的 val值==（關于這一點，后面還有個Demo可以證明），此時 val的值是最后一個 3,最終輸出結果都是 103:


testFunc val = 103
testFunc val = 103
testFunc val = 103

下面的例子可以有效的解答：

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	sumFunc := lazySum([]int{1, 2, 3, 4, 5})
	fmt.Println("等待一會")
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
	time.Sleep(time.Duration(3) * time.Second)
	fmt.Println("結果：", sumFunc())
}
func lazySum(arr []int) func() int {
	fmt.Println("先獲取函數，不求結果")
	count := 0
	var sum = func() int {
		count++
		fmt.Println("第", count, "次求結果...")
		result := 0
		for _, v := range arr {
			result = result + v
		}
		return result
	}
	go func() {
		time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)
		count = count + 100
		fmt.Println("go func 修改后的變量 count：", count)
	}()
	return sum
}

輸出結果如下：


先獲取函數，不求結果
等待一會
第 1 次求結果...
結果： 15
go func 修改后的變量 count： 101
第 102 次求結果...
結果： 15

其實本質上，Go Routine的匿名函數的延遲綁定就是閉包的延遲綁定，上面的例子中，go func(){}獲取到的就是最新的值，而不是原始值0。

總結一下上面的驗證點：

• 閉包每次返回都是一個新的實例，每個實例都有一份自己的環境。

• 同一個實例多次執行，會使用相同的環境。

• 閉包如果逃逸的是指針，會相互影響，因為綁定的是指針，相同指針的內容修改會相互影響。

• 閉包并不是在聲明時綁定的值，聲明后只是預留了外部環境（逃逸分析），真正執行閉包函數時，會獲取最新的外部環境的值（也稱為延遲綁定）。

• Go Routine的匿名函數的延遲綁定本質上就是閉包的延遲綁定。

2、閉包的好處與壞處？

2.1 好處

純函數沒有狀態，而閉包則是讓函數輕松擁有了狀態。但是凡事都有兩面性，一旦擁有狀態，多次調用，可能會出現不一樣的結果，就像是前面測試的 case 中一樣。那么問題來了：

Q：如果不支持閉包的話，我們想要函數擁有狀態，需要怎么做呢？

A： 需要使用全局變量，讓所有函數共享同一份變量。

但是我們都知道全局變量有以下的一些特點（在不同的場景，優點會變成缺點）：

• 常駐于內存之中，只要程序不停會一直在內存中。

• 污染全局，大家都可以訪問，共享的同時不知道誰會改這個變量。

閉包可以一定程度優化這個問題：

• 不需要使用全局變量，外部函數局部變量在閉包的時候會創建一份，生命周期與函數生命周期一致，閉包函數不再被引用的時候，就可以回收了。

• 閉包暴露的局部變量，外界無法直接訪問，只能通過函數操作，可以避免濫用。

除了以上的好處，像在 JavaScript 中，沒有原生支持私有方法，可以靠閉包來模擬私有方法，因為閉包都有自己的詞法環境。

2.2 壞處

函數擁有狀態，如果處理不當，會導致閉包中的變量被誤改，但這是編碼者應該考慮的問題，是預期中的場景。

閉包中如果隨意創建，引用被持有，則無法銷毀，同時閉包內的局部變量也無法銷毀，過度使用閉包會占有更多的內存，導致性能下降。一般而言，能共享一份閉包（共享閉包局部變量數據），不需要多次創建閉包函數，是比較優雅的方式。

3、閉包怎么實現的？

從上面的實驗中，我們可以知道，閉包實際上就是外部環境的逃逸，跟隨著閉包函數一起暴露出去。

我們用以下的程序進行分析：

import "fmt"

func testFunc(i int) func() int {
	i = i * 2
	testFunc := func() int {
		i++
		return i
	}
	i = i * 2
	return testFunc
}
func main() {
	test := testFunc(1)
	fmt.Println(test())
}

執行結果如下：


5

 go build --gcflags=-m main.go

可以看到 變量 i被移到堆中，也就是本來是局部變量，但是發生逃逸之后，從棧里面放到堆里面，同樣的 test()函數由于是閉包函數，也逃逸到堆上。

下面我們用命令行來看看匯編代碼：

go tool compile -N -l -S main.go

生成代碼比較長，我截取一部分：

"".testFunc STEXT size=218 args=0x8 locals=0x38 funcid=0x0 align=0x0
        0x0000 00000 (main.go:5)        TEXT    "".testFunc(SB), ABIInternal, $56-8
        0x0000 00000 (main.go:5)        CMPQ    SP, 16(R14)
        0x0004 00004 (main.go:5)        PCDATA  $0, $-2
        0x0004 00004 (main.go:5)        JLS     198
        0x000a 00010 (main.go:5)        PCDATA  $0, $-1
        0x000a 00010 (main.go:5)        SUBQ    $56, SP
        0x000e 00014 (main.go:5)        MOVQ    BP, 48(SP)
        0x0013 00019 (main.go:5)        LEAQ    48(SP), BP
        0x0018 00024 (main.go:5)        FUNCDATA        $0, gclocals·69c1753bd5f81501d95132d08af04464(SB)
        0x0018 00024 (main.go:5)        FUNCDATA        $1, gclocals·d571c0f6cf0af59df28f76498f639cf2(SB)
        0x0018 00024 (main.go:5)        FUNCDATA        $5, "".testFunc.arginfo1(SB)
        0x0018 00024 (main.go:5)        MOVQ    AX, "".i+64(SP)
        0x001d 00029 (main.go:5)        MOVQ    $0, "".~r0+16(SP)
        0x0026 00038 (main.go:5)        LEAQ    type.int(SB), AX
        0x002d 00045 (main.go:5)        PCDATA  $1, $0
        0x002d 00045 (main.go:5)        CALL    runtime.newobject(SB)
        0x0032 00050 (main.go:5)        MOVQ    AX, "".&i+40(SP)
        0x0037 00055 (main.go:5)        MOVQ    "".i+64(SP), CX
        0x003c 00060 (main.go:5)        MOVQ    CX, (AX)
        0x003f 00063 (main.go:6)        MOVQ    "".&i+40(SP), CX
        0x0044 00068 (main.go:6)        MOVQ    "".&i+40(SP), DX
        0x0049 00073 (main.go:6)        MOVQ    (DX), DX
        0x004c 00076 (main.go:6)        SHLQ    $1, DX
        0x004f 00079 (main.go:6)        MOVQ    DX, (CX)
        0x0052 00082 (main.go:7)        LEAQ    type.noalg.struct { F uintptr; "".i *int }(SB), AX
        0x0059 00089 (main.go:7)        PCDATA  $1, $1
        0x0059 00089 (main.go:7)        CALL    runtime.newobject(SB)
        0x005e 00094 (main.go:7)        MOVQ    AX, ""..autotmp_3+32(SP)
        0x0063 00099 (main.go:7)        LEAQ    "".testFunc.func1(SB), CX
        0x006a 00106 (main.go:7)        MOVQ    CX, (AX)
        0x006d 00109 (main.go:7)        MOVQ    ""..autotmp_3+32(SP), CX
        0x0072 00114 (main.go:7)        TESTB   AL, (CX)
        0x0074 00116 (main.go:7)        MOVQ    "".&i+40(SP), DX
        0x0079 00121 (main.go:7)        LEAQ    8(CX), DI
        0x007d 00125 (main.go:7)        PCDATA  $0, $-2
        0x007d 00125 (main.go:7)        CMPL    runtime.writeBarrier(SB), $0
        0x0084 00132 (main.go:7)        JEQ     136
        0x0086 00134 (main.go:7)        JMP     142
        0x0088 00136 (main.go:7)        MOVQ    DX, 8(CX)
        0x008c 00140 (main.go:7)        JMP     149
        0x008e 00142 (main.go:7)        CALL    runtime.gcWriteBarrierDX(SB)
        0x0093 00147 (main.go:7)        JMP     149
        0x0095 00149 (main.go:7)        PCDATA  $0, $-1
        0x0095 00149 (main.go:7)        MOVQ    ""..autotmp_3+32(SP), CX
        0x009a 00154 (main.go:7)        MOVQ    CX, "".testFunc+24(SP)
        0x009f 00159 (main.go:11)       MOVQ    "".&i+40(SP), CX
        0x00a4 00164 (main.go:11)       MOVQ    "".&i+40(SP), DX
        0x00a9 00169 (main.go:11)       MOVQ    (DX), DX
        0x00ac 00172 (main.go:11)       SHLQ    $1, DX
        0x00af 00175 (main.go:11)       MOVQ    DX, (CX)
        0x00b2 00178 (main.go:12)       MOVQ    "".testFunc+24(SP), AX
        0x00b7 00183 (main.go:12)       MOVQ    AX, "".~r0+16(SP)
        0x00bc 00188 (main.go:12)       MOVQ    48(SP), BP
        0x00c1 00193 (main.go:12)       ADDQ    $56, SP
        0x00c5 00197 (main.go:12)       RET
        0x00c6 00198 (main.go:12)       NOP
        0x00c6 00198 (main.go:5)        PCDATA  $1, $-1
        0x00c6 00198 (main.go:5)        PCDATA  $0, $-2
        0x00c6 00198 (main.go:5)        MOVQ    AX, 8(SP)
        0x00cb 00203 (main.go:5)        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        0x00d0 00208 (main.go:5)        MOVQ    8(SP), AX
        0x00d5 00213 (main.go:5)        PCDATA  $0, $-1
        0x00d5 00213 (main.go:5)        JMP     0

可以看到閉包函數實際上底層也是用結構體new創建出來的：

使用的就是堆上面的 i：

也就是返回函數的時候，實際上返回結構體，結構體里面記錄了函數的引用環境。

4、淺聊一下

4.1 Java 支不支持閉包？

網上有很多種看法，實際上 Java 雖然暫時不支持返回函數作為返參，但是Java 本質上還是實現了閉包的概念的，所使用的的方式是內部類的形式，因為是內部類，所以相當于自帶了一個引用環境，算是一種不完整的閉包。

目前有一定限制，比如是 final 聲明的，或者是明確定義的值，才可以進行傳遞：

4.2 函數式編程的前景怎么樣？

下面是Wiki的內容：

函數式編程長期以來在學術界流行，但幾乎沒有工業應用。造成這種局面的主因是函數式編程常被認為嚴重耗費CPU和存儲器資源[18] ，這是由于在早期實現函數式編程語言時并沒有考慮過效率問題，而且面向函數式編程特性，如保證參照透明性等，要求獨特的數據結構和算法。[19]

然而，最近幾種函數式編程語言已經在商業或工業系統中使用[20]，例如：

• Erlang，它由瑞典公司愛立信在20世紀80年代后期開發，最初用于實現容錯電信系統。此后，它已在Nortel、Facebook、électricité de France和WhatsApp等公司作為流行語言創建一系列應用程序。[21][22]

• Scheme，它被用作早期Apple Macintosh計算機上的幾個應用程序的基礎，并且最近已應用于諸如訓練模擬軟件和望遠鏡控制等方向。

• OCaml，它于20世紀90年代中期推出，已經在金融分析，驅動程序驗證，工業機器人編程和嵌入式軟件靜態分析等領域得到了商業應用。

• Haskell，它雖然最初是作為一種研究語言，也已被一系列公司應用于航空航天系統，硬件設計和網絡編程等領域。

其他在工業中使用的函數式編程語言包括多范型的Scala[23]、F#，還有Wolfram語言、Common Lisp、Standard ML和Clojure等。

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