闭包的概念 [翻译]

解释函数式编程中的闭包概念，非完全翻译自 wiki: closure

文章中使用英文名词，以防止翻译不当和歧义

原文: wiki: closure
译文: 闭包的概念
译者: Breaker <breaker.zy_AT_gmail>

译文

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closure 概念

closure 亦称词法闭包 (lexical closure)、函数闭包 (function closure) 或函数值 (function value)，是由 一个函数 和 这个函数的 non-local 变量的引用环境 (referencing environment) 组成的实体。这里的 non-local 变量和 C++ 中的 static 和全局变量是不同概念，见 wiki: non-local variable

closure 用途

第一级函数 (first-class function): 函数如同整数和字符串等基本类型一样，作为参数传递、返回值 和 绑定变量名

状态表达 (state representation): closure 在一个函数和一组私有 upvalue 变量之间建立关联关系，多次调用中保持 upvalue 值，并且只能从 closure 函数内访问 upvalue，这些可用在状态式语言中的状态表达范型和信息隐藏

控制结构: 闭包只在被调用时才执行函数，即延迟求值 (delay evaluation)，可用来定义控制结构，如 Smalltalk 中的 if 条件分支和 while 循环控制结构都通过 closure 实现

多个 closure 函数用共享环境进行消息传递

实现对象系统: 见 Re: FP, OO and relations. Does anyone trump the others?

upvalue 和引用环境

引用环境绑定在 closure 上的自由变量 (free variable) 或 non-local 名字称为 upvalue，upvalue 的生存期可持续到 closure 的生存期结束

当执行进入 closure 函数时，函数可以访问 closure 绑定的 upvalue，只要 closure 不释放，则调用之间保持 upvalue 的值

在一些语言中，在函数中定义另一个函数时，如果内部函数引用了外部函数的局部变量，则可能产生 closure。运行时，一旦外部函数执行，就会形成 closure，其包含了内部函数的代码 和 其到外部函数所需变量的引用 (upvalue)

closure 和匿名函数

在大多数支持 closure 的语言中，经常用匿名函数来构造 closure，但它们是不同的两个概念

可以认为匿名函数是函数字面量 (function literal)，偏向右值和函数体的概念；而 closure 是函数变量 (function value)，偏向左值和对象的概念

closure 会保持引用环境，如 upvalue 的当前值，而匿名函数不必如此

closure 的历史

closure 术语最早由 Peter J. Landin 在其 SECD machine 中定义，用以表达式求值中的 environment part 和 control part (1964)

后来 Joel Moses 用 closure 指代 lambda 表达式 其绑定开放的 free variable 被词法环境 (lexical environment) 关闭绑定 (bound in) 时，形成的关闭表达式 (closed expression) 即 closure

后来 Sussman 和 Steele 采用了 closure 概念，并首次在 Scheme 中实现 (1975)，以支持词法作用域 (lexically-scoped) 的 first-class function

上面的 lexical environment, lexically-scoped 可以非正式的理解为语言中的作用域

closure 最显著的使用是 ML 和 Lisp 等语言的函数式编程 (functional programming)

传统的命令式语言 (imperative language, e.g. Algol, C, Pascal) 不支持 closure，因为它们不支持 non-local 名字，只有在嵌套函数和匿名函数中才引入此概念，同时它们也不支持 higher-order 函数

现代的带垃圾收集 (GC, garbage collection) 的命令式语言 (Smalltalk, C#) 和 解释性的脚本语言，很多都支持 higher-order 函数和 closure

closure 实现方法

closure 典型的实现方法，采用包含下面两者的一个数据结构：

指向函数代码的指针
函数 lexical environment 的表示结构，如 closure 创建时，函数的可用变量集合及其值

如果语言采用在堆栈上分配局部变量的运行时内存模型，那么很难实现完全的 closure，因为函数返回时会释放局部变量

closure 需要 upvalue 在 enclosing function 即外层函数执行结束后继续保持，因此 upvalue 应该一直保持的内存分配，直到最终不需要时才释放，所以很多支持 closure 的语言都使用 GC

另外，语言也可以选择接受特定使用导致的不确定行为，如 C++ 标准的 lambda 表达式实现提议，见 Lambda Expressions and Closures

Funarg problem (functional argument problem) 说明了在基于堆栈的语言，如 C/C++ 中实现 first class function 的困难

第一版 D 语言，假定程序员知道如何对待从定义作用域中返回后引用无效的 delegate 和局部变量（局部变量在堆栈上分配），此时仍能使用很多 functional pattern，但对于复杂情况需要显式地对变量进行堆分配

第二版 D 解决了这个问题，它检测哪些变量必须存储在堆上，并且执行自动分配。因为 D 的两个版本都使用 GC，所以不需要跟踪传递时变量的使用

在一些使用 immutable data 的严格函数式语言，如 Erlang 中，很容易实现自动内存管理 (GC)，因为它们没有变量引用。如在 Erlang 中，所有的变量都在堆上分配，但是它们的引用存储在堆栈上，当函数返回后，引用依然有效，堆清理由增量 GC 完成

ML 中局部变量在堆栈上分配，当创建 closure 时，会将 closure 所需的变量值拷贝进 closure 的数据结构中

Scheme 是类似 ALGOL 的词法作用域系统，带有动态变量和 GC，缺少堆栈编程模型，所以也没有基于堆栈语言的限制，可以直接表达 closure。包含执行代码和环境 free variable 的 lambda 表达式，可在程序中一直保持访问，也可被其它 Scheme 表达式使用

closure 和并发计算 Actor model 中的 Actor 有紧密关系，那里函数 lexical environment 中的值称为 acquaintance。关于 closure 在 并发编程 语言中的一个重要问题是：closure 中的变量是否可更新，如何同步这些更新，Actor 给出一种方案，见 Foundations of Actor Semantics

closure 示例

上面的 closure wiki 解释比较抽象，下面是一个具体的 Javascript closure 示例：

function counter() {
    var x = 0;
    var increment = function(y) {
        x += y;
        console.log("x = " + x);    // Firebug console
    }
    return increment;   // increment 是一个 closure, 包括:
                        //   1. 一个 +y 的匿名函数
                        //   2. non-local 变量 x 的引用环境 (upvalue)
}

function test_closure_1() {
    counter1_increment = counter(); // 绑定一个 closure 引用环境
    counter2_increment = counter(); // 绑定另一个 closure 引用环境

    counter1_increment(1);  // x = 1, 进入 closure
    counter1_increment(7);  // x = 8, closure 保持引用环境, upvalue 变量 x 的生存期延长并保持上次的值
    counter2_increment(1);  // x = 1, 这是不同的 closure 引用环境, 不同的 upvalue 变量 x
    counter1_increment(1);  // x = 9
}

说明：

1. closure 会绑定 closure 函数和 upvalue，并保持 upvalue 的值
2. 不同的 closure environment 是不同的绑定，它们的 upvalue 相互独立

[END]