Go 面試題 013：Go 中閉包的底層原理是？

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本篇問(wèn)題：Go 中閉包的底層原理？

# 1. 什么是閉包？

一個(gè)函數(shù)內(nèi)引用了外部的局部變量，這種現(xiàn)象，就稱之為閉包。

例如下面的這段代碼中，adder 函數(shù)返回了一個(gè)匿名函數(shù)，而該匿名函數(shù)中引用了 adder 函數(shù)中的局部變量 sum ，那這個(gè)函數(shù)就是一個(gè)閉包。

package?main

import?"fmt"

func?adder()?func(int)?int?{
????sum?:=?0
????return?func(x?int)?int?{
????????sum?+=?x
????????return?sum
????}
}

而這個(gè)閉包中引用的外部局部變量并不會(huì)隨著 adder 函數(shù)的返回而被從棧上銷毀。

我們嘗試著調(diào)用這個(gè)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)每一次調(diào)用，sum 的值都會(huì)保留在 閉包函數(shù)中以待使用。

func?main()?{
?????valueFunc:=?adder()
?????fmt.Println(valueFunc(2))?????//?output:?2
?????fmt.Println(valueFunc(2))???//?output:?4
}

# 2. 復(fù)雜的閉包場(chǎng)景

寫一個(gè)閉包是比較容易的事，但單單會(huì)寫簡(jiǎn)單的閉包函數(shù)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果不搞清楚閉包真正的原理，那很容易在一些復(fù)雜的閉包場(chǎng)景中對(duì)函數(shù)的執(zhí)行邏輯進(jìn)行誤判。

別的不說(shuō)，就拿下來(lái)這個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧？

你覺(jué)得它會(huì)打印什么呢？

是 6 還是 11 呢？

import?"fmt"

func?func1()?(i?int)?{
????i?=?10
????defer?func()?{
????????i?+=?1
????}()
????return?5
}

func?main()?{
????closure?:=?func1()
????fmt.Println(closure)
}

# 3. 閉包的底層原理？

還是以最上面的例子來(lái)分析

package?main

import?"fmt"

func?adder()?func(int)?int?{
????sum?:=?0
????return?func(x?int)?int?{
????????sum?+=?x
????????return?sum
????}
}

func?main()?{
????valueFunc:=?adder()
????fmt.Println(valueFunc(2))?????//?output:?2
}

我們先對(duì)它進(jìn)行逃逸分析，很容易發(fā)現(xiàn) sum 作為 adder 函數(shù)局部變量，并不是分配在棧上，而是分配在堆上的。

這就解決了第一個(gè)疑惑：為什么 adder 函數(shù)返回后， sum 不會(huì)隨之銷毀？

$?go?build?-gcflags="-m?-m?-l"?demo.go
#?command-line-arguments
./demo.go:8:3:?adder.func1?capturing?by?ref:?sum?(addr=true?assign=true?width=8)
./demo.go:7:9:?func?literal?escapes?to?heap:
./demo.go:7:9:???flow:?~r0?=?&{storage?for?func?literal}:
./demo.go:7:9:?????from?func?literal?(spill)?at?./demo.go:7:9
./demo.go:7:9:?????from?return?func?literal?(return)?at?./demo.go:7:2
./demo.go:6:2:?sum?escapes?to?heap:
./demo.go:6:2:???flow:?{storage?for?func?literal}?=?&sum:
./demo.go:6:2:?????from?func?literal?(captured?by?a?closure)?at?./demo.go:7:9
./demo.go:6:2:?????from?sum?(reference)?at?./demo.go:8:3
./demo.go:6:2:?moved?to?heap:?sum
./demo.go:7:9:?func?literal?escapes?to?heap
./demo.go:15:23:?valueFunc(2)?escapes?to?heap:
./demo.go:15:23:???flow:?{storage?for?...?argument}?=?&{storage?for?valueFunc(2)}:
./demo.go:15:23:?????from?valueFunc(2)?(spill)?at?./demo.go:15:23
./demo.go:15:23:???flow:?{heap}?=?{storage?for?...?argument}:
./demo.go:15:23:?????from?...?argument?(spill)?at?./demo.go:15:13
./demo.go:15:23:?????from?fmt.Println(valueFunc(2))?(call?parameter)?at?./demo.go:15:13
./demo.go:15:13:?...?argument?does?not?escape
./demo.go:15:23:?valueFunc(2)?escapes?to?heap

可另一個(gè)問(wèn)題，又浮現(xiàn)出來(lái)了，就算它不會(huì)銷毀，那閉包函數(shù)若是存儲(chǔ)的若是 sum 拷貝后的值，那每次調(diào)用閉包函數(shù)，里面的 sum 應(yīng)該都是一樣的，調(diào)用兩次都應(yīng)該返回 2，而不是可以累加記錄。

因此，可以大膽猜測(cè)，閉包函數(shù)的結(jié)構(gòu)體里存儲(chǔ)的是 sum 的指針。

為了驗(yàn)證這一猜想，只能上匯編了。

通過(guò)執(zhí)行下面的命令，可以輸出對(duì)應(yīng)的匯編代碼

go?build?-gcflags="-S"?demo.go?

輸出的內(nèi)容相當(dāng)之多，我提取出下面最關(guān)鍵的一行代碼，它定義了閉包函數(shù)的結(jié)構(gòu)體。

其中 F 是函數(shù)的指針，但這不是重點(diǎn)，重點(diǎn)是 sum 存儲(chǔ)的確實(shí)是指針，驗(yàn)證了我們的猜。

type.noalg.struct?{?F?uintptr;?"".sum?*int?}(SB),?CX

# 4. 迷題揭曉

有了上面第三節(jié)的背景知識(shí)，那對(duì)于第二節(jié)給出的這道題，想必你也有答案了。

首先，由于 i 在函數(shù)定義的返回值上聲明，因此根據(jù) go 的 caller-save 模式， i 變量會(huì)存儲(chǔ)在 main 函數(shù)的棧空間。

然后，func1 的 return 重新把 5 賦值給了 i ，此時(shí) i = 5

由于閉包函數(shù)存儲(chǔ)了這個(gè)變量 i 的指針。

因此最后，在 defer 中對(duì) i 進(jìn)行自增，是直接更新到 i 的指針上，此時(shí) i = 5+1，所以最終打印出來(lái)的結(jié)果是 6

import?"fmt"

func?func1()?(i?int)?{
????i?=?10
????defer?func()?{
????????i?+=?1
????}()
????return?5
}

func?main()?{
????closure?:=?func1()
????fmt.Println(closure)
}

# 5. 再度變題

上面那題聽(tīng)懂了的話，再來(lái)看看下面這道題。

func1 的返回值我們不寫變量名 i 了，然后原先返回具體字面量，現(xiàn)在改成變量 i ，就是這兩小小小的改動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果大大不同，你可以思考一下結(jié)果。

import?"fmt"

func?func1()?(int)?{
????i?:=?10
????defer?func()?{
????????i?+=?1
????}()
????return?i
}

func?main()?{
????closure?:=?func1()
????fmt.Println(closure)
}

如果你在返回值里寫了變量名，那么該變量會(huì)存儲(chǔ) main 的棧空間里，而如果你不寫，那 i 只能存儲(chǔ)在 func1 的棧空間里，與此同時(shí)，return 的值，不會(huì)作用于原變量 i 上，而是會(huì)存儲(chǔ)在該函數(shù)在另一塊棧內(nèi)存里。

因此你在 defer 中對(duì)原 i 進(jìn)行自增，并不會(huì)作用到 func1 的返回值上。

所以打印的結(jié)果，只能是 10。

你答對(duì)了嗎？

# 6. 最后一個(gè)問(wèn)題

不知道你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，在第一節(jié)示例中的 sum 是存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中的，而后面幾個(gè)示例都是存儲(chǔ)在棧內(nèi)存里。

這是為什么呢？

仔細(xì)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，示例一返回的是閉包函數(shù)，閉包函數(shù)在 adder 返回后還要在其他地方繼續(xù)使用，在這種情況下，為了保證閉包函數(shù)的正常運(yùn)行，無(wú)論閉包函數(shù)在哪里，i 都不能回收，所以 Go 編譯器會(huì)智能地將其分配在堆上。

而后面的其他示例，都只是涉及了閉包的特性，并不是直接把閉包函數(shù)返回，因此完全可以將其分配在棧上，非常的合理。

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