函數(shù)——go世界中的一等公民

作者：Destiny池魚(yú)
來(lái)源：SegmentFault思否社區(qū)

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函數(shù)的本質(zhì)

在go的世界中，函數(shù)是一等公民，可以給變量賦值，可以作為參數(shù)傳遞，也可以直接賦值。

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package main
import (    "fmt"    "time")
func A() {    // ...    fmt.Println("this is a")}
func B(f func()) {    // ...}
func C() func() {    return A}
var f func() = C()
func main() {    time.Sleep(time.Minute)    v := C()    v()}

在go語(yǔ)言中將這樣的變量、參數(shù)、返回值，即在堆空間和棧空間中綁定函數(shù)的值，稱為function value

函數(shù)的指令在編譯期間生成，使用go tool compile -S main.go可以獲取匯編代碼, 以O(shè)SX 10.15.6，go 1.14為例，將看到下述匯編代碼（下面只引用部分）

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..."".B STEXT nosplit size=1 args=0x8 locals=0x0    0x0000 00000 (main.go:9)    TEXT    "".B(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-8    0x0000 00000 (main.go:9)    PCDATA    $0, $-2    0x0000 00000 (main.go:9)    PCDATA    $1, $-2    0x0000 00000 (main.go:9)    FUNCDATA    $0, gclocals·2a5305abe05176240e61b8620e19a815(SB)    0x0000 00000 (main.go:9)    FUNCDATA    $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)    0x0000 00000 (main.go:9)    FUNCDATA    $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)    0x0000 00000 (main.go:11)    PCDATA    $0, $-1    0x0000 00000 (main.go:11)    PCDATA    $1, $-1    0x0000 00000 (main.go:11)    RET    0x0000 c3...

運(yùn)行時(shí)將存放在__TEXT段中，也就是存放在代碼段中，讀寫(xiě)權(quán)限為rx/rwx， 通過(guò)vmmap [pid]可以獲取運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存分布

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==== Non-writable regions for process 13443
REGION TYPE                      START - END             [ VSIZE  RSDNT  DIRTY   SWAP] PRT/MAX SHRMOD PURGE    REGION DETAIL
__TEXT                 0000000001000000-0000000001167000 [ 1436K  1436K     0K     0K] r-x/rwx SM=COW          .../test

使用otool -v -l [file]可以看到下述內(nèi)容（下面只引用了一部分）

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...Load command 1      cmd LC_SEGMENT_64  cmdsize 632  segname __TEXT   vmaddr 0x0000000001000000   vmsize 0x0000000000167000  fileoff 0 filesize 1470464  maxprot rwx initprot r-x   nsects 7    flags (none)Section  sectname __text   segname __TEXT      addr 0x0000000001001000      size 0x000000000009c365    offset 4096     align 2^4 (16)    reloff 0    nreloc 0      type S_REGULARattributes PURE_INSTRUCTIONS SOME_INSTRUCTIONS reserved1 0 reserved2 0...

所以如果要問(wèn)函數(shù)在go語(yǔ)言里的本質(zhì)是什么，那么其實(shí)就是指向__TEXT段內(nèi)存地址的一個(gè)指針

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函數(shù)調(diào)用的過(guò)程

在go語(yǔ)言中，每一個(gè)goroutine持有一個(gè)連續(xù)棧，棧基礎(chǔ)大小為2kb，當(dāng)棧大小超過(guò)預(yù)分配大小后，會(huì)觸發(fā)棧擴(kuò)容，也就是分配一個(gè)大小為當(dāng)前棧2倍的新棧，并且將原來(lái)的棧拷貝到新的棧上。使用連續(xù)棧而不是分段棧的目的是，利用局部性優(yōu)勢(shì)提升執(zhí)行速度，原理是CPU讀取地址時(shí)會(huì)將相鄰的內(nèi)存讀取到訪問(wèn)速度比內(nèi)存快的多級(jí)cache中，地址連續(xù)性越好，L1、L2、L3 cache命中率越高，速度也就越快。

在go中，和其他一些語(yǔ)言有所不同，函數(shù)的返回值、參數(shù)都是由被caller保存。每次函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)在caller的棧中壓入函數(shù)返回值列表、參數(shù)列表、函數(shù)返回時(shí)的PC地址，然后更改bp和pc為新函數(shù)，執(zhí)行新函數(shù)，執(zhí)行完之后將變量存到caller的棧空間中，利用棧空間中保存的返回地址和caller的棧基地址，恢復(fù)pc和sp回到caller的執(zhí)行過(guò)程。

對(duì)于棧變量的訪問(wèn)是通過(guò)bp+offset的方式來(lái)訪問(wèn)，而對(duì)于在堆上分配的變量來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)地址來(lái)訪問(wèn)。在go中，變量被分配到堆上還是被分配到棧上是由編譯器在編譯時(shí)根據(jù)逃逸分析決定的，不可以更改，只能利用規(guī)則盡量讓變量被分配到棧上，因?yàn)榫植啃詢?yōu)勢(shì)，棧空間的內(nèi)存訪問(wèn)速度快于堆空間訪問(wèn)。

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方法的本質(zhì)

go里面其實(shí)方法就是語(yǔ)法糖，請(qǐng)看下述代碼，兩個(gè)Println打印的結(jié)果是一樣的，實(shí)際上Method就是將receiver作為函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)輸入的語(yǔ)法糖而已，本質(zhì)上和函數(shù)沒(méi)有區(qū)別

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type T struct {    name string}
func (t T) Name() string {    return "Hi! " + t.name}
func main() {    t := T{name: "test"}    fmt.Println(t.Name())   // Hi! test    fmt.Println(T.Name(t))  // Hi! test}

閉包的本質(zhì)

前面已經(jīng)提到在go語(yǔ)言中將這在堆空間和棧空間中綁定函數(shù)的值，稱為function value。這也就是閉包在go語(yǔ)言中的實(shí)體。一個(gè)最簡(jiǎn)單的funcval實(shí)際上是通過(guò)二級(jí)指針指向__TEXT代碼段上函數(shù)的結(jié)構(gòu)體。

那我們來(lái)看下面這個(gè)閉包，也就是main函數(shù)中的變量f

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func getFunc() func() int {    a := 0    return func() int {        a++        return a    }}
func main() {    f := getFunc()    for i := 0; i < 10; i++ {        fmt.Println(f())    }}

上面這段代碼執(zhí)行完后會(huì)輸出1~10，也就是說(shuō)f在執(zhí)行的時(shí)候所使用的a會(huì)累計(jì)，但是a并不是一個(gè)全局變量，為什么f就變成了一個(gè)有狀態(tài)的函數(shù)呢？其實(shí)這也就是go里面的閉包了。那我們來(lái)看go是如何實(shí)現(xiàn)閉包的。

首先來(lái)解釋一下閉包的含義，閉包在實(shí)現(xiàn)上一個(gè)結(jié)構(gòu)體，需要存儲(chǔ)函數(shù)入口和關(guān)聯(lián)環(huán)境，關(guān)聯(lián)環(huán)境包含約束變量（函數(shù)內(nèi)部變量）和自由變量（函數(shù)外部變量，在函數(shù)外被定義，但是在函數(shù)內(nèi)被引用），和函數(shù)不同的事，在捕獲閉包時(shí)才能確定自由變量，當(dāng)脫離了捕捉變量的上下文時(shí)，也能照常運(yùn)行。基于閉包可以很容易的定義異步調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。

在 go 語(yǔ)言中，閉包的狀態(tài)是通過(guò)捕獲列表實(shí)現(xiàn)的。具體來(lái)說(shuō)，有自由變量的閉包funcval的分配都在堆上，（沒(méi)有自由變量的funcval在__DATA數(shù)據(jù)段上，和常量一樣），funcval中除了包含地址以外，還會(huì)包含所引用的自由變量，所有自由變量構(gòu)成捕獲列表。對(duì)于會(huì)被修改的值，捕獲的是值的指針，對(duì)于不會(huì)被修改的值，捕獲的是值拷貝。

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