Pelaksanaan asas penutupan fungsi Go

Penutupan fungsi bukanlah perbendaharaan kata lanjutan untuk kebanyakan pembaca, jadi apakah penutupan itu? Berikut ialah petikan daripada definisi di Wiki:

Penutupan ialah rekod yang menyimpan fungsi bersama-sama dengan persekitaran. Persekitaran ialah pemetaan yang mengaitkan setiap pembolehubah bebas fungsi (pembolehubah yang digunakan secara tempatan, tetapi ditakrifkan dalam skop yang disertakan ) dengan nilai atau rujukan yang mana nama itu diikat semasa penutupan dibuat.

Ringkasnya, penutupan ialah entiti yang terdiri daripada fungsi dan persekitaran rujukan. Dalam proses pelaksanaan, penutupan sering dilaksanakan dengan memanggil fungsi luaran dan mengembalikan fungsi dalaman mereka. Antaranya, persekitaran rujukan merujuk kepada pemetaan pembolehubah bebas dalam fungsi luaran (digunakan oleh fungsi dalaman, tetapi ditakrifkan dalam fungsi luaran). Fungsi dalaman memperkenalkan pembolehubah bebas luaran supaya pembolehubah ini tidak akan dikeluarkan atau dipadam walaupun ia meninggalkan persekitaran fungsi luaran Fungsi dalaman yang dikembalikan masih menyimpan maklumat ini.

Petikan ini mungkin tidak mudah difahami, jadi mari kita gunakan contoh sahaja.

 1package main
 2
 3import "fmt"
 4
 5func outer() func() int {
 6    x := 1
 7    return func() int {
 8        x++
 9        return x
10    }
11}
12
13func main() {
14    closure := outer()
15    fmt.Println(closure())
16    fmt.Println(closure())
17}
18
19// output
202
213

Seperti yang anda lihat, dua ciri dalam Go (fungsi ialah warga kelas pertama dan sokongan untuk fungsi tanpa nama) memudahkan untuk melaksanakan penutupan.

Dalam contoh di atas, <code style="font-size: inherit;line-height: inherit;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);"><span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">closure</span>是闭包函数，变量x就是引用环境，它们的组合就是闭包实体。<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>本是<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">outer</span>函数之内，匿名函数之外的局部变量。在正常函数调用结束之后，<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>就会随着函数栈的销毁而销毁。但是由于匿名函数的引用，<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">outer</span>返回的函数对象会一直持有<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>变量。这造成了每次调用闭包<code style="font-size: inherit;line-height: inherit;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);"><span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">closure</span>，<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>变量都会得到累加。

这里和普通的函数调用不一样：局部变量<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>closure ialah fungsi penutupan dan pembolehubah x ialah rujukan persekitaran. Gabungan mereka adalah entiti penutupan.

<p style="font-size: inherit;color: inherit;line-height: inherit;margin-top: 1.5em;margin-bottom: 1.5em;">x<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">
Ini ialah</p>luar🎜🎜Pembolehubah setempat dalam fungsi dan di luar fungsi tanpa nama. Selepas panggilan fungsi biasa tamat, 🎜🎜x🎜🎜 akan dimusnahkan apabila timbunan fungsi dimusnahkan. Tetapi disebabkan rujukan fungsi tanpa nama, 🎜🎜outer🎜🎜Objek fungsi yang dikembalikan akan sentiasa dipegang🎜 🎜x🎜🎜 pembolehubah. Ini menghasilkan setiap panggilan ke penutupan 🎜🎜closure🎜🎜, 🎜🎜x🎜🎜pembolehubah akan dikumpul. 🎜🎜🎜🎜Ini berbeza daripada panggilan fungsi biasa: pembolehubah setempat🎜🎜x🎜🎜 tidak mengikut Fungsi panggilan tamat dan hilang. Jadi, mengapa ini? 🎜🎜🎜🎜🎜🎜🎜

实现原理

我们不妨从汇编入手，将上述代码稍微修改一下

 1package main
 2
 3func outer() func() int {
 4    x := 1
 5    return func() int {
 6        x++
 7        return x
 8    }
 9}
10
11func main() {
12    _ := outer()
13}

得到编译后的汇编语句如下。

 1$ go tool compile -S -N -l main.go 
 2"".outer STEXT size=181 args=0x8 locals=0x28
 3        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".outer(SB), ABIInternal, $40-8
 4        ...
 5        0x0021 00033 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r0+48(SP)
 6        0x002a 00042 (main.go:4)        LEAQ    type.int(SB), AX
 7        0x0031 00049 (main.go:4)        MOVQ    AX, (SP)
 8        0x0035 00053 (main.go:4)        PCDATA  $1, $0
 9        0x0035 00053 (main.go:4)        CALL    runtime.newobject(SB)
10        0x003a 00058 (main.go:4)        MOVQ    8(SP), AX
11        0x003f 00063 (main.go:4)        MOVQ    AX, "".&x+24(SP)
12        0x0044 00068 (main.go:4)        MOVQ    $1, (AX)
13        0x004b 00075 (main.go:5)        LEAQ    type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB), AX
14        0x0052 00082 (main.go:5)        MOVQ    AX, (SP)
15        0x0056 00086 (main.go:5)        PCDATA  $1, $1
16        0x0056 00086 (main.go:5)        CALL    runtime.newobject(SB)
17        0x005b 00091 (main.go:5)        MOVQ    8(SP), AX
18        0x0060 00096 (main.go:5)        MOVQ    AX, ""..autotmp_4+16(SP)
19        0x0065 00101 (main.go:5)        LEAQ    "".outer.func1(SB), CX
20        0x006c 00108 (main.go:5)        MOVQ    CX, (AX)
21        ...

首先，我们发现不一样的是 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x:=1</span> 会调用 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">runtime.newobject</span> 函数（内置<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">new</span>函数的底层函数，它返回数据类型指针）。在正常函数局部变量的定义时，例如

 1package main
 2
 3func add() int {
 4    x := 100
 5    x++
 6    return x
 7}
 8
 9func main() {
10    _ = add()
11}

我们能发现 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x:=100</span> 是不会调用 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">runtime.newobject</span> 函数的，它对应的汇编是如下

1"".add STEXT nosplit size=58 args=0x8 locals=0x10
2        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $16-8
3        ...
4        0x000e 00014 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r0+24(SP)
5        0x0017 00023 (main.go:4)        MOVQ    $100, "".x(SP)  // x:=100
6        0x001f 00031 (main.go:5)        MOVQ    $101, "".x(SP)
7        0x0027 00039 (main.go:6)        MOVQ    $101, "".~r0+24(SP)
8        ...

留着疑问，继续往下看。我们发现有以下语句

1        0x004b 00075 (main.go:5)        LEAQ    type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB), AX
2        0x0052 00082 (main.go:5)        MOVQ    AX, (SP)
3        0x0056 00086 (main.go:5)        PCDATA  $1, $1
4        0x0056 00086 (main.go:5)        CALL    runtime.newobject(SB)

我们看到 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB)</span>，这其实就是定义的一个闭包数据类型，它的结构表示如下

1type closure struct {
2    F uintptr   // 函数指针，代表着内部匿名函数
3    x *int      // 自由变量x，代表着对外部环境的引用
4}

之后，在通过 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">runtime.newobject</span> 函数创建了闭包对象。而且由于 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">LEAQ xxx yyy</span>代表的是将 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">xxx</span> 指针，传递给 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">yyy</span>，因此 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">outer</span> 函数最终的返回，其实是闭包结构体对象指针。在《详解逃逸分析》一文中，我们详细地描述了Go编译器的逃逸分析机制，对于这种函数返回暴露给外部指针的情况，很明显，闭包对象会被分配至堆上，变量x也会随着对象逃逸至堆。这就很好地解释了为什么<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>变量没有随着函数栈的销毁而消亡。

我们可以通过逃逸分析来验证我们的结论

 1$  go build -gcflags '-m -m -l' main.go
 2# command-line-arguments
 3./main.go:6:3: outer.func1 capturing by ref: x (addr=true assign=true width=8)
 4./main.go:5:9: func literal escapes to heap:
 5./main.go:5:9:   flow: ~r0 = &{storage for func literal}:
 6./main.go:5:9:     from func literal (spill) at ./main.go:5:9
 7./main.go:5:9:     from return func literal (return) at ./main.go:5:2
 8./main.go:4:2: x escapes to heap:
 9./main.go:4:2:   flow: {storage for func literal} = &x:
10./main.go:4:2:     from func literal (captured by a closure) at ./main.go:5:9
11./main.go:4:2:     from x (reference) at ./main.go:6:3
12./main.go:4:2: moved to heap: x                   // 变量逃逸
13./main.go:5:9: func literal escapes to heap       // 函数逃逸

至此，我相信读者已经明白为什么闭包能持续持有外部变量的原因了。那么，我们来思考上文中留下的疑问，为什么在<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x:=1</span> 时会调用 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">runtime.newobject</span> 函数。

我们将上文中的例子改为如下，即删掉 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x++</span> 代码

 1package main
 2
 3func outer() func() int {
 4    x := 1
 5    return func() int {
 6        return x
 7    }
 8}
 9
10func main() {
11    _ = outer()
12}

此时，<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x:=1</span>处的汇编代码，将不再调用 <span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">runtime.newobject</span> 函数，通过逃逸分析也会发现将<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>不再逃逸，生成的闭包对象中的<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">x</span>的将是值类型<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 1px;">int</span>

1type closure struct {
2    F uintptr 
3    x int      
4}

这其实就是Go编译器做得精妙的地方：当闭包内没有对外部变量造成修改时，Go 编译器会将自由变量的引用传递优化为直接值传递，避免变量逃逸。

总结

函数闭包一点也不神秘，它就是函数和引用环境而组合的实体。在Go中，闭包在底层是一个结构体对象，它包含了函数指针与自由变量。

Mekanisme analisis pelarian pengkompil Go akan memperuntukkan objek penutupan kepada timbunan, supaya pembolehubah bebas tidak akan hilang apabila tindanan fungsi dimusnahkan, dan ia sentiasa boleh wujud bergantung pada entiti penutupan. Oleh itu, kelebihan dan kekurangan penggunaan penutupan adalah jelas: penutupan boleh mengelak daripada menggunakan pembolehubah global dan sebaliknya mengekalkan pembolehubah bebas yang disimpan dalam ingatan untuk jangka masa yang lama, bagaimanapun, pegangan tersirat pembolehubah bebas ini akan menyebabkan masalah apabila digunakan secara tidak wajar pembaziran dan kebocoran ingatan.

Dalam projek sebenar, tidak terdapat banyak senario penggunaan penutupan. Sudah tentu, jika anda menulis penutupan dalam kod anda, sebagai contoh, fungsi panggil balik yang anda tulis membentuk penutupan, anda perlu berhati-hati, jika tidak, masalah penggunaan memori boleh menyebabkan anda mengalami masalah.

Atas ialah kandungan terperinci Pelaksanaan asas penutupan fungsi Go. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!