淺談C#閉包的相關(guān)原理
首先想說明一點(diǎn),雖然有這樣那樣的不好的心態(tài)(比如中文技術(shù)書),但總體來說,國內(nèi)的技術(shù)人員還是喜歡分享和教導(dǎo)別人的,這點(diǎn)我的個(gè)人感受和之前在園子里看到的朋友的感受恰恰相反.我個(gè)人其實(shí)國內(nèi)很多技術(shù)網(wǎng)友都是很熱心的,可能因?yàn)檎Z言問題同一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)會(huì)稍稍落后國外一些,但一些成熟的或者基礎(chǔ)的概念都可以找到很細(xì)致的中文介紹,特別是關(guān)于閉包,因?yàn)樗淖置娼忉尨_實(shí)很繞,所以基本所有試圖解釋這一名詞的同學(xué)都是盡量用自己認(rèn)為最通俗易懂的方式來進(jìn)行講解.閑話扯遠(yuǎn)了,這里我就用C#語言來給大家解釋下閉包吧。
其實(shí)要提到閉包,我們還得先提下變量作用域和變量的生命周期。
在C#里面,變量作用域有三種,一種是屬于類的,我們常稱之為field,第二種則屬于函數(shù)的,我們通常稱之為局部變量,還有一種,其實(shí)也是屬于函數(shù)的,不過它的作用范圍更小,它只屬于函數(shù)局部的代碼片段,這種同樣稱之為局部變量。這三種變量的生命周期基本都可以用一句話來說明,每個(gè)變量都屬于它所寄存的對(duì)象,即變量隨著其寄存對(duì)象生而生和消亡.對(duì)應(yīng)三種作用域我們可以這樣說,類里面的變量是隨著類的實(shí)例化而生,同時(shí)伴隨著類對(duì)象的資源回收而消亡(當(dāng)然這里不包括非實(shí)例化的static和const對(duì)象).而函數(shù)(或代碼片段)的變量也隨著函數(shù)(或代碼片段)調(diào)用開始而生,伴隨函數(shù)(或代碼片段)調(diào)用結(jié)束而自動(dòng)由GC釋放，它內(nèi)部變量生命周期滿足先進(jìn)后出的特性。
那么這里有沒有例外呢?
答案是有的,不過在提這點(diǎn)之前,我還需要給各位另外一個(gè)名詞.都說c#就是MS版本的java,這話在.net 1.0可能可以這么說,但自2.0之后C#就可以自豪的說它絕非java了,這里面委托有很大的功勞,如果用過java和C#的人并且嘗試過寫winform程序時(shí)全部手寫實(shí)現(xiàn)代碼的人就會(huì)有這樣一個(gè)感受,同樣的click事件,在java中必須要無端的套個(gè)匿名類,但在c#中,你是可以直接將函數(shù)名+=到事件之后而不需要顯示寫上匿名委托的對(duì)象類型的,因?yàn)榫幾g器會(huì)幫你做這部分工作,在3.0和以后的版本之中,微軟將委托的用法更是發(fā)揮的淋漓精致,無論是簡潔的Lamda還是通俗易懂的LINQ,都是源自委托的.
你可能要問,委托和我們今天要講的閉包又有什么關(guān)系呢?
我們知道,c#,java和javascript,ruby,python這些語言不同,在c#和java的世界里面,原子對(duì)象就是類(當(dāng)然還有struct和基本變量),而不是其他語言的函數(shù),我們可以實(shí)例化一個(gè)類,實(shí)例化一個(gè)變量,但不可以直接new 一個(gè)函數(shù).也就是表面上看,我們是沒辦法像js那樣將函數(shù)進(jìn)行實(shí)例化和傳遞的.這也是為什么直到Java 7閉包才被姍姍來遲的加入java特性中。但對(duì)C#來說這些只是表象,我剛學(xué)c#的時(shí)候,看到最多的解釋委托的話就是:委托啊,就相當(dāng)于c++里面的函數(shù)指針啦.這句話雖然籠統(tǒng),但卻是有一定道理,通過委托特別是匿名委托這層對(duì)象的包裝,我們就可以突破無法將函數(shù)當(dāng)做對(duì)象傳遞的限制了.
好像這里還是沒講到閉包和委托的關(guān)系,好吧,我太啰嗦了,下面從概念開始講.
閉包其實(shí)就是使用的變量已經(jīng)脫離其作用域,卻由于和作用域存在上下文關(guān)系,從而可以在當(dāng)前環(huán)境中繼續(xù)使用其上文環(huán)境中所定義的一種函數(shù)對(duì)象.
好拗口,程序員,還是用示例來說明更好理解.
首先來個(gè)最簡單的javascript中常常見到的關(guān)于閉包的例子:
- function f1(){
- var n=999;
- return function(){
- alert(n); // 999
- return n;
- }
- }
- var a =f1();
- alert(a());
這段代碼翻譯成C#代碼就是這樣：
- public class TCloser
- {
- public Func<int> T1()
- {
- var n = 999;
- return () =>
- {
- Console.WriteLine(n);
- return n;
- };
- }
- }
- class Program{
- static void Main(){
- var a =new TCloser();
- var b = a.T1();
- Console.WriteLine(b());
- }
- }
從上面的代碼我們不難看到,變量n實(shí)際上是屬于函數(shù)T1的局部變量，它本來生命周期應(yīng)該是伴隨著函數(shù)T1的調(diào)用結(jié)束而被釋放掉的，但這里我們卻在返回的委托b中仍然能調(diào)用它，這里正是閉包所展示出來的威力，因?yàn)門1調(diào)用返回的匿名委托的代碼片段中我們用到了n,而在編譯器看來，這些都是合法的，因?yàn)榉祷氐奈衎和函數(shù)T1存在上下文關(guān)系，也就是說匿名委托b是允許使用它所在的函數(shù)或者類里面的局部變量的，于是編譯器通過一系列動(dòng)作(具體動(dòng)作我們后面再說)使b中調(diào)用的函數(shù)T1的局部變量自動(dòng)閉合，從而使該局部變量滿足新的作用范圍。
因此如果你看到.net中的閉包，你就可以像js中那樣理解它，由于返回的匿名函數(shù)對(duì)象是在函數(shù)T1中生成的，因此相當(dāng)于它是屬于T1的一個(gè)屬性。如果你把T1的對(duì)象級(jí)別往上提升一個(gè)層次就很好理解了，這里就相當(dāng)于T1是一個(gè)類，而返回的匿名對(duì)象則是T1的一個(gè)屬性，對(duì)屬性而言，它可以調(diào)用它所寄存的對(duì)象T1的任何其他屬性或者方法，包括T1寄存的對(duì)象TCloser內(nèi)部的其他屬性。如果這個(gè)匿名函數(shù)會(huì)被返回給其他對(duì)象調(diào)用，那么編譯器會(huì)自動(dòng)將匿名函數(shù)所用到的方法T1中的局部變量的生命周轉(zhuǎn)期自動(dòng)提升并與匿名函數(shù)的生命周期相同，這樣就稱之為閉合。
也許你會(huì)說，這個(gè)返回的委托包含的變量n只是編譯器通過某種方式隱藏的對(duì)這個(gè)委托對(duì)象的一個(gè)同樣對(duì)象的賦值吧，那么我們?cè)賹?duì)比下面兩個(gè)方法：
- public class TCloser{
- public Func<int> T1()
- {
- var n = 999;
- Func<int> result = () =>
- {
- return n;
- };
- n = 10;
- return result;
- }
- public dynamic T2()
- {
- var n = 999;
- dynamic result =new { A = n };
- n = 10;
- return result;
- }
- static void Main(){
- var a = new TCloser();
- var b = a.T1();
- var c = a.T2();
- Console.WriteLine(b());
- Console.WriteLine(c.A);
- }
- }
***輸出結(jié)果是什么呢？答案是10和999，因?yàn)殚]包的特性，這里匿名函數(shù)中所使用的變量就是實(shí)際T1中的變量，與之相反的是，匿名對(duì)象result里面的A只是初始化時(shí)被賦予了變量n的值，它并不是n，所以后面n改變之后A并未隨之而改變。這正是閉包的魔力所在。
你可能會(huì)好奇.net本身并不支持函數(shù)對(duì)象，那么這樣的特性又是從何而來呢？答案是編譯器，我們一看IL代碼便會(huì)明白了。
首先我給出c#代碼：
- public class TCloser {
- public Func<int> T1(){
- var n = 10;
- return () =>
- {
- return n;
- };
- }
- public Func<int> T4(){
- return () =>
- {
- var n = 10;
- return n;
- };
- }
- }
這兩個(gè)返回的匿名函數(shù)的唯一區(qū)別就是返回的委托中變量n的作用域不一樣而已，T1中變量n是屬于T1的，而在T4中，n則是屬于匿名函數(shù)本身的。但我們看看IL代碼就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里面的大不同了：
- .method public hidebysig instance class [mscorlib]System.Func`1<int32> T1() cil managed{
- .maxstack 3
- .locals init (
- [0] class ConsoleApplication1.TCloser/<>c__DisplayClass1 CS$<>8__locals2,
- [1] class [mscorlib]System.Func`1<int32> CS$1$0000)
- L_0000: newobj instance void ConsoleApplication1.TCloser/<>c__DisplayClass1::.ctor()
- L_0005: stloc.0
- L_0006: nop
- L_0007: ldloc.0
- L_0008: ldc.i4.s 10
- L_000a: stfld int32 ConsoleApplication1.TCloser/<>c__DisplayClass1::n
- L_000f: ldloc.0
- L_0010: ldftn instance int32 ConsoleApplication1.TCloser/<>c__DisplayClass1::<T1>b__0()
- L_0016: newobj instance void [mscorlib]System.Func`1<int32>::.ctor(object, native int)
- L_001b: stloc.1
- L_001c: br.s L_001e
- L_001e: ldloc.1
- L_001f: ret
- }
- .method public hidebysig instance class [mscorlib]System.Func`1<int32> T4() cil managed
- {
- .maxstack 3
- .locals init (
- [0] class [mscorlib]System.Func`1<int32> CS$1$0000)
- L_0000: nop
- L_0001: ldsfld class [mscorlib]System.Func`1<int32> ConsoleApplication1.TCloser::CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate4
- L_0006: brtrue.s L_001b
- L_0008: ldnull
- L_0009: ldftn int32 ConsoleApplication1.TCloser::<T4>b__3()
- L_000f: newobj instance void [mscorlib]System.Func`1<int32>::.ctor(object, native int)
- L_0014: stsfld class [mscorlib]System.Func`1<int32> ConsoleApplication1.TCloser::CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate4
- L_0019: br.s L_001b
- L_001b: ldsfld class [mscorlib]System.Func`1<int32> ConsoleApplication1.TCloser::CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate4
- L_0020: stloc.0
- L_0021: br.s L_0023
- L_0023: ldloc.0
- L_0024: ret
- }
看IL代碼你就會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)其中究竟了，在T1中，函數(shù)對(duì)返回的匿名委托構(gòu)造的是一個(gè)類，名稱為newobj instance void ConsoleApplication1.TCloser/<>c__DisplayClass1::.ctor()，而在T4中，則是仍然是一個(gè)普通的Func委托，只不過級(jí)別變?yōu)轭惣?jí)別了而已。
那我們接著看看T1中聲明的類c__DisplayClass1是何方神圣：
- .class auto ansi sealed nested private beforefieldinit <>c__DisplayClass1
- extends [mscorlib]System.Object{
- .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor()
- .method public hidebysig specialname rtspecialname instance void .ctor() cil managed{}
- .method public hidebysig instance int32 <T1>b__0() cil managed{}
- .field public int32 n
- }
看到這里想必你已經(jīng)明白了,在C#中,原來閉包只是編譯器玩的花招而已,它仍然沒有脫離.NET對(duì)象生命周期的規(guī)則，它將需要修改作用域的變量直接封裝到返回的類中變成類的一個(gè)屬性n,從而保證了變量的生命周期不會(huì)隨函數(shù)T1調(diào)用結(jié)束而結(jié)束，因?yàn)樽兞縩在這里已經(jīng)成了返回的類的一個(gè)屬性了。
看到這里我想大家應(yīng)該大體上了解閉包的來龍去脈了吧，閉包其實(shí)和類中其他屬性、方法是一樣的，它們的原則都是下一層可以暢快的調(diào)用上一層定義的各種設(shè)定，但上一層則不具備訪問下一層設(shè)定的能力。即類中方法里的變量可以自由訪問類中的所有屬性和方法，而閉包又可以訪問它的上一層即方法中的各種設(shè)定。但類不可以訪問方法的局部變量，同理，方法也不可以訪問其內(nèi)部定義的匿名函數(shù)所定義的局部變量。
這正是C#中的閉包，它通過超越j(luò)ava語言的委托打下了閉包的***步基礎(chǔ)，隨后又通過各種語法糖和編譯器來實(shí)現(xiàn)如今在.NET世界全面開花的Lamda和LINQ.也使得我們能夠編寫出更加簡潔優(yōu)雅的代碼。
附：后面是吐槽，與上文無關(guān)，大家可以略過，這篇文章其實(shí)兩年之前在給同事講C#閉包的時(shí)候就有想法整理出來和大家分享了，不過因?yàn)樯睿ぷ鳎蛟S主要還是自己太懶的原因而拖著沒動(dòng)筆，到今天早上看到園友抱怨國內(nèi)教書育人的氛圍才最終決定利用晚上時(shí)間把它整理，然后放出來。我個(gè)人認(rèn)為國內(nèi)技術(shù)圈子的氛圍尚可，雖然仍然很多浮躁和易怒在圈子里徘徊。但我們想想國內(nèi)IT人的生存空間就容易理解了。每天最理想的情況朝9晚6的干活，晚上加班，周末加班這些都是常事，而對(duì)我們而言，只要想寫出一些經(jīng)過細(xì)細(xì)思考的東西都至少需要2個(gè)小時(shí)以上，而且***中間不要有人來打擾，這也就注定我們?cè)诎滋旃ぷ鲿r(shí)候很難完全有時(shí)間靜下來組織語言，刨掉這些時(shí)間，留給我們自己的生活時(shí)間又有多少呢？所以我每次看到有園友發(fā)表帖子的時(shí)間是晚上1點(diǎn)，2點(diǎn)甚至更晚，都毫不意外，
我們并非專業(yè)寫手，也不像國外IT人那樣有充足的閑暇時(shí)光可以鉆研自己的***，我們賺著他們的零頭，買著比他們本子價(jià)格更貴的筆記本，擔(dān)著比他們更高房價(jià)的壓力來生活，這樣的生活條件下我們這些可愛的社區(qū)(不僅限于cnblogs,javaeye,phpchina等)Geek們?nèi)匀蝗绱嘶钴S和熱情，你還能抱怨什么呢？你要知道你看到的每篇文章(如果是工作人士的話)都是他們晚上從9點(diǎn)寫到12點(diǎn)的生活點(diǎn)滴啊。
所以，以后不要抱怨國內(nèi)IT氛圍吧,相對(duì)這個(gè)社會(huì)其他各行各業(yè)的浮躁，我覺得我們的IT圈子已經(jīng)是很樂于分享的一個(gè)群體了。而且除了因?yàn)?ldquo;天下武功,源自歐美,滯后于英語國家”的緣故，我們有些技術(shù)確實(shí)要晚些才能跟上國外社區(qū)的腳步，但對(duì)于一些基礎(chǔ)知識(shí)的解釋，已經(jīng)有很多中文的文章解釋得很不錯(cuò)了。像我以前在理解閉包的時(shí)候, javaeye上看到的一大堆，像WIKI,像阮一峰的文章，我個(gè)人認(rèn)為對(duì)中文用戶是足夠了。當(dāng)然，這只是我個(gè)人的觀點(diǎn)，大家不必較勁。
原文鏈接：http://www.cnblogs.com/frankfang/archive/2011/08/03/2125663.html
