【新人系列】Golang 入门（七）：闭包详解

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1. 快速了解

在 Go 语言中，闭包是一个函数值，它引用了其函数体之外的变量。闭包能够访问和操作在其定义的上下文中存在的自由变量，即使外部函数已经返回，闭包仍能记住并访问这些变量。

现在有个需求，需要每调用一次函数，返回的结果值就是增加一次之后的值。

go 复制代码

func autoIncrement() func() {
    local := 0
    return func() int {
        local += 1
        return local
    }
}

//调用函数
nextFunc := autoIncreament()
//1 2 3 4 5
for i := 0; i < 5; i++ {
    fmt.Println(nextFunc())
}

在上述示例中，autoIncrement 函数返回了一个匿名函数，这个匿名函数构成了闭包。它能够访问并修改外部函数中的变量 local ，每次调用 autoIncrement 函数时，local 的值都会增加并返回。

为了更好的理解闭包概念，我们接下来由浅入深的剖析一下调用闭包时，栈帧上会发生些什么。

2. function value

在 go 语言中函数是头等对象，它可以作为参数传递，可以作为函数返回值，也可以绑定到变量。而 go 语言会称这样的参数、返回值或变量为 function value。

go 复制代码

func A() {
    // ...
}

// 作为参数传递
func B(f func()) {
    // ...
}

// 作为函数返回值
func C() func() {
    return A
}

// 绑定到变量
var f func() = C()

函数的指令会在编译期间生成，而 function value 本质上是一个指针，但并不直接指向函数指令的入口。而是指向一个 runtime.funcval 结构体，这个结构体里只有一个地址，就是这个函数指令的入口地址。

为了更深刻的理解这个内容，我们来举一个完整的例子，假设现在函数 A 被赋值给了 f1 和 f2 两个变量。

go 复制代码

func A(i int) {
    i++
    fmt.Println(i)
}
func B() {
    f1 := A
    f1(1)
}
func C() {
    f2 := A
    f2(1)
}

上面这种情况编译器就会做出优化，会让 f1 和 f2 共用一个 funcval 结构体，我们假设函数 A 的指令在下图代码段的这个位置，其入口地址为 addr1。

那么在编译阶段，就会在只读数据段分配一个 funcval 结构体，fn 指向函数 A 的指令入口。

而 fn 本身的起始地址 addr2 就会在执行阶段赋值给 f1 和 f2，如果通过 f1 来执行函数，则会通过它存储的地址找到对应的 funcval 结构体拿到函数的入口地址，然后再跳转执行。

再来看代码中 f1 函数的执行，我们传入的参数 i 为 1，执行到 A 函数中 i 会自增 1，那么下一步就会输出 2，而 f2 的调用完全相同。

那么问题来了，既然只要有函数入口地址就能调用，为什么还要通过 funcval 结构体包装这个地址，然后使用一个二级指针来调用呢？

这里主要是为了处理闭包的情况，我们再具体来看看维基百科是如何定义闭包的。这里有两个关键点需要我们注意：

必须要有在函数外部定义，但在函数内部引用的 "自由变量"
即便脱离了闭包的上下文，闭包也能照常使用这些自由变量

3. 不修改捕获变量

我们还是来看个例子，函数 create 的返回值是一个函数，但这个函数内部使用了外部定义的变量 c，即使 create 执行结束了，通过 f1 和 f2 依然能够正常调用这个闭包函数，并使用定义在 create 函数内部的局部变量 c。

所以下面代码中 return func() 这里符合闭包的定义，通常我们称这个变量 c 为捕获变量。

简单来说就是编译器在触发闭包条件时，会把这些东西扔到内存堆中，不会在函数结束后就释放它们。

go 复制代码

func create() func(){
    c := 2
    return func() int{
        return c
    }
}
func main(){
    f1 := create()
    f2 := create()
    fmt.Println(f1())
    fmt.Println(f2())
}

闭包函数的指令自然也在编译阶段生成，但因为每个闭包对象都要保存自己的捕获变量，所以要到执行阶段才会创建对应的闭包对象。

我们还是来看看栈帧分布情况，到 main 函数的执行阶段，存在两个局部变量，会分别初始化为空值。接着是返回值空间，目前同样初始化为空值。然后到了 create 函数栈帧这里，存在一个局部变量且初始化为 2。

create 函数还会在堆上分配一个 funcval 结构体，fn 指向闭包函数入口地址 addr1。除此之外，还有一个捕获列表，这里只捕获了一个变量 c。

然后这个结构体的起始地址 addr2，就被作为返回值写入返回值空间，因此执行完 f1 := create() 这行代码后，f1 就会被赋值为 addr2。

下面 f2 := create() 再次调用了 create 函数，它就会再次创建一个 funcval 结构体，同样会捕获变量 c。然后这个 funcval 结构体的起始地址 addr3 就会作为返回值写入到返回值空间，并最终赋值给 f2。

通过 f1 和 f2 调用闭包函数，就会找到各自对应的 funcval 结构体，从而就会拿到同一个函数的入口。但是 f1 和 f2 在调用闭包函数时，使用的捕获变量会不一样，会使用各自 funcval 结构体中的捕获变量，这就是称闭包为有状态的函数的原因。

那么问题又来了，闭包函数究竟如何找到对应的捕获列表呢？

在 go 语言中，通过一个 function value 调用函数时，会把对应的 funcval 结构体地址存入特定的寄存器。例如，amd64 平台使用的是 DX 寄存器。

这样在闭包函数中，就可以通过寄存器取出 funcval 结构体的地址，然后加上相应的偏移来找到每一个被捕获的变量。

因此在 go 语言中，闭包就是有捕获列表的 function value，而没有捕获列表的 function value 就直接忽略掉这个特定寄存器的值就好。

4. 修改捕获变量

最后再来看看这个捕获列表，它可不是拷贝变量值这么简单，被闭包捕获的变量要在外层函数与闭包函数中表现一致，好像它们在使用同一个变量。为此，go 语言的编译器针对不同的情况做了不同的处理。

最简单的情况就像上面这个例子，被捕获的变量除了初始化赋值外，在任何地方都没有被修改过，所以直接拷贝到捕获列表中即可。

go 复制代码

func create() func(){
    c := 2
    // 除了初始化外，并没有修改被捕获的变量c
    return func() int{
        return c
    }
}
func main(){
    f1 := create()
    f2 := create()
    fmt.Println(f1())
    fmt.Println(f2())
}

但是如果除了初始化赋值外，还被修改过的话，那就要再做细分。我们再来看一个例子，在下面这个例子中，被捕获的是局部变量 i，并且除了初始化赋值外还被修改过，来看看这种情况会怎么处理。

go 复制代码

fun create() (fs[2]func()) {
    for i := 0; i < 2; i++ {
        fs[i] = func() {
            fmt.Println(i)
        }
    }
    return
}
func main() {
    fs := create()
    for i := 0; i < len(fs); i++ {
        fs[i]()
    }
}

假设闭包函数指令入口地址在代码段的 addrf 位置，main 函数栈帧中局部变量 fs 是一个长度为 2 的 functionvalue 类型数组，所以返回值也会分配 2 个位置，并且都会先初始化为空值。

再来看看 create 函数栈帧，由于被闭包捕获，局部变量 i 会改为堆分配，在栈上只会存一个地址。执行到 create 第一次 for 循环，就会在堆上创建 funcval 结构体，并捕获 i 的地址，这样闭包函数就和外层函数操作同一个变量了。

因此返回值就会得到该 funcval 结构体的起始地址 addr0，然后 i 自增 1，此时第一次 for 循环结束。

接下来第二次 for 循环开始，和上面的步骤一样，这里会再次到堆上面创建一个 funcval 结构体，并捕获变量 i 的地址，因此第二个返回值的位置就会存储该 funcval 的起始地址 addr1。然后第二次循环结束，i 再次自增 1。

此时就满足了循环退出的条件，create 函数执行结束，于是就会将返回值拷贝到局部变量 fs 中。

当 fs[0] 调用函数时，就会把 addr0 存入到特定的寄存器中，然后闭包函数会通过寄存器存储的地址并加上偏移找到捕获变量 i 的地址。

当 fs[1] 调用函数时同理，会把 addr1 存入到特定的寄存器中，闭包函数就会通过寄存器中的地址并加上偏移从而找到对应 funcval 中的捕获变量 i 的地址。

从上面两步可以看出，fs 每次调用函数，闭包函数最终得到的 i 的地址都是相同的，因此每次打印时输出都为 2。

闭包导致的局部变量堆分配，也是变量逃逸的一种场景。但如果修改并且被捕获的是参数，涉及到函数原型，就不能像局部变量那样处理了。

不过参数依然是通过调用者栈帧传入，但是编译器会把栈上的这个参数拷贝到堆上一份，然后外层函数和闭包函数都使用堆上分配的这一个。

如果被捕获的是返回值，处理方式就又有些不同，调用者栈帧上依然会分配返回值空间，不过闭包的外层函数也会在堆上分配一个，外层函数和闭包函数都使用堆上这一个，但是在外层函数返回前，需要把堆上的返回值拷贝到栈上的对应返回值空间。

处理方式虽然多样，但是目标只有一个，就是保持捕获变量在外层函数与闭包函数中的一致性。并且细致分析的话也可以发现，这几种处理方式起始也都比较类似，就是在堆上保存被捕获的值，防止在函数结束时被释放了。

本小节关键点：

go 语言中的 function value 本质上是指向 funcval 结构体的指针
go 语言中的闭包只是拥有捕获列表的 function value
捕获变量在外层函数与闭包函数中要保持一致