闭包是什么？——一个函数与其周围状态绑定在一起就是闭包。

概述

闭包通常出现在支持头等函数、垃圾回收的编程语言中，如果函数f中定义了函数g，函数g中使用了自由变量，则函数g构成闭包。

  • 头等函数（First-class function）：指函数可以作为别的函数的参数、函数的返回值，赋值给变量或存储在数据结构中。
  • 自由变量（Free variables）：自由变量是指在一个特定作用域内未被定义但被引用的变量。
  • 约束变量（Bound variables）：约束变量是指在一个特定作用域内已经被定义的变量。

以Python代码为例

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def f():
    y = 0  # 自由变量
    def g():
        nonlocal y
        x = 0  # 约束变量
        y += 1
        x += 1
        return y
    return g

closure = f()
print(closure())  # 1

为什么提出闭包

最初闭包是为了解决函数式编程中一些问题，包括隐藏保存一些私有数据、保存上下文（例如计数器）、事件编程模型中的回调机制。这些封装私有、函数的组合等优秀功能同样契合面向对象语言，所以目前大多数语言都支持闭包。

闭包的用途

  • 封装数据：闭包可以用于封装数据和行为，将相关的变量和函数组合在一起。它可以隐藏内部实现细节，而只暴露特定的接口，提供更清晰、模块化的代码结构。
  • 保持状态信息：闭包可以存储状态信息，并在每次调用闭包时保持该状态。这对于需要记住先前的操作或保留某些值的场景非常有用。例如，在计数器应用程序中，闭包可以用来跟踪和增加计数器的值。
  • 延迟计算：闭包可以延迟计算，即在需要的时候才进行实际的计算过程。这种惰性求值的特性可以提高性能和资源的使用效率，尤其在处理大数据集或复杂计算时特别有用。
  • 实现私有变量和函数：通过闭包，我们可以创建具有私有成员的“类似”对象。它们可以包含仅在闭包内部可见的私有变量和函数，并提供对外部用户公开的接口。这样可以实现信息隐藏和封装的概念。
  • 高阶函数和装饰器：闭包是实现高阶函数和装饰器的基础。高阶函数是接受函数作为参数或返回函数的函数，而装饰器是用于修改或增强其他函数行为的函数。闭包提供了一种方便的方式来实现这些功能，允许动态地添加额外的逻辑或功能。

对于Python来讲，几乎所有的装饰器都是闭包（除了下面这种情况，几乎也没人会这样写）。

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def test_closure(func):
    def wrapper():
        print("wrapper")
    return wrapper

@test_closure
def f():
    print("f")

f()  # wrapper

不支持垃圾回收的语言中的闭包

闭包会延长函数内部变量的生命周期，因此对于不支持垃圾回收的语言容易发生内存泄漏。本质上来说是将闭包函数中绑定的自由变量置于堆中，因此对于这类语言，存在一个问题，栈中的变量如何复制到堆中。

  • 在C语言中，并不支持闭包，只能以结构体来模拟闭包
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#include <stdio.h>

typedef struct {
    int x;
    int (*add)(int);
} Closure;

int add(int y) {
    Closure* closure = (Closure*)y;
    return closure->x + y;
}

Closure create_closure(int x) {
    Closure closure;
    closure.x = x;
    closure.add = &add;
    return closure;
}

int main() {
    Closure closure = create_closure(3);
    int result = closure.add(5); // 结果为 8
    printf("%d\n", result);
    return 0;
}
  • 在C++98中也没有严格意义上的闭包，但是可以通过重载()运算符来将对象模拟闭包函数。
  • 在C++11中，通过匿名函数来创建闭包，因为Lambda表达式可以捕获周围的变量。但是对于两个闭包共同使用一个自由变量时，不能完成真正的共享，因为本质上是对栈中的变量进行值拷贝。当使用引用拷贝时虽然可以完成共享，但仅限于在该自由变量的生命周期内，若自由变量所在函数出栈，该闭包将引发报错。因此对于这种情况不仅要使用引用拷贝，还要将其声明为static变量或者对于x直接采用智能指针。
  • 在C++14中，可以将自由变量绑定到匿名函数对象中。

Lambda表达式

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int x = 5;
auto closure = [x]() { ... };

默认情况下，在{ ... }函数体内，只能以只读的方式访问x变量。若要对x进行修改，需要使用mutable关键字修饰

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int x = 5;
auto closure = [x]() mutable { 
    x += 10;
 };

此外对于[]中的捕获方式分为值捕获和引用捕获，具体语法如下:

  • []不捕获任何变量
  • [var]指定值捕获变量
  • [&]引用捕获周围全部外部变量
  • [=]值捕获周围全部外部变量
  • [&, var]所有变量按引用捕获，var变量按值捕获
  • [=, &var]所有变量按值捕获，var变量按引用捕获