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Go 関数クロージャの基礎となる実装

Go语言进阶学习転載: 2023-07-25 15:18:341292ブラウズ

関数クロージャは、ほとんどの読者にとって高度な語彙ではありません。では、クロージャとは何でしょうか?以下は Wiki の定義からの抜粋です。

クロージャは、関数を環境とともに保存するレコードです。環境は、関数の各自由変数を関連付けるマッピングです。 (ローカルで使用されるが、囲むスコープで定義されている変数) と、クロージャの作成時に名前がバインドされた値または参照。 #简要するに、クロージャは関数と参照環境から構成されるエンティティです。実装プロセスでは、クロージャは外部関数を呼び出し、その内部関数を返すことによって実装されることがよくあります。このうち、参照環境とは、外部関数内の自由変数（内部関数で使用されるが、外部関数で定義される）のマッピングを指します。内部関数は外部自由変数を導入するため、これらの変数は外部関数の環境から離れても解放または削除されず、返された内部関数はこの情報を保持します。

#この部分は理解しにくいかもしれないので、例を見てみましょう。

上記の例では、closure はクロージャ関数、変数 x は参照環境、それらの組み合わせがクロージャエンティティです。。 #これは、outer 関数内および匿名関数の外部にあるローカル変数です。。通常の関数呼び出しが終了すると、関数スタックが破棄されるため、xx も破棄されます。ただし、匿名関数の参照により、outer によって返される関数オブジェクトは常に x## として保持されます。＃＃＃＃＃＃＃変数。これにより、クロージャー closure が呼び出されるたびに、xxx 変数が次のようになります。蓄積された。 #これは通常の関数呼び出しとは異なります。ローカル変数

x# は関数呼び出しで終了しません。消える。では、なぜそうなるのでしょうか? 

实现原理

我们不妨从汇编入手，将上述代码稍微修改一下

 1package main
 2
 3func outer() func() int {
 4    x := 1
 5    return func() int {
 6        x++
 7        return x
 8    }
 9}
10
11func main() {
12    _ := outer()
13}

得到编译后的汇编语句如下。

 1$ go tool compile -S -N -l main.go 
 2"".outer STEXT size=181 args=0x8 locals=0x28
 3        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".outer(SB), ABIInternal, $40-8
 4        ...
 5        0x0021 00033 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r0+48(SP)
 6        0x002a 00042 (main.go:4)        LEAQ    type.int(SB), AX
 7        0x0031 00049 (main.go:4)        MOVQ    AX, (SP)
 8        0x0035 00053 (main.go:4)        PCDATA  $1, $0
 9        0x0035 00053 (main.go:4)        CALL    runtime.newobject(SB)
10        0x003a 00058 (main.go:4)        MOVQ    8(SP), AX
11        0x003f 00063 (main.go:4)        MOVQ    AX, "".&x+24(SP)
12        0x0044 00068 (main.go:4)        MOVQ    $1, (AX)
13        0x004b 00075 (main.go:5)        LEAQ    type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB), AX
14        0x0052 00082 (main.go:5)        MOVQ    AX, (SP)
15        0x0056 00086 (main.go:5)        PCDATA  $1, $1
16        0x0056 00086 (main.go:5)        CALL    runtime.newobject(SB)
17        0x005b 00091 (main.go:5)        MOVQ    8(SP), AX
18        0x0060 00096 (main.go:5)        MOVQ    AX, ""..autotmp_4+16(SP)
19        0x0065 00101 (main.go:5)        LEAQ    "".outer.func1(SB), CX
20        0x006c 00108 (main.go:5)        MOVQ    CX, (AX)
21        ...

首先，我们发现不一样的是 x:=1 会调用 runtime.newobject 函数（内置new函数的底层函数，它返回数据类型指针）。在正常函数局部变量的定义时，例如

 1package main
 2
 3func add() int {
 4    x := 100
 5    x++
 6    return x
 7}
 8
 9func main() {
10    _ = add()
11}

我们能发现 x:=100 是不会调用 runtime.newobject 函数的，它对应的汇编是如下

1"".add STEXT nosplit size=58 args=0x8 locals=0x10
2        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $16-8
3        ...
4        0x000e 00014 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r0+24(SP)
5        0x0017 00023 (main.go:4)        MOVQ    $100, "".x(SP)  // x:=100
6        0x001f 00031 (main.go:5)        MOVQ    $101, "".x(SP)
7        0x0027 00039 (main.go:6)        MOVQ    $101, "".~r0+24(SP)
8        ...

留着疑问，继续往下看。我们发现有以下语句

1        0x004b 00075 (main.go:5)        LEAQ    type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB), AX
2        0x0052 00082 (main.go:5)        MOVQ    AX, (SP)
3        0x0056 00086 (main.go:5)        PCDATA  $1, $1
4        0x0056 00086 (main.go:5)        CALL    runtime.newobject(SB)

我们看到 type.noalg.struct { F uintptr; "".x *int }(SB)，这其实就是定义的一个闭包数据类型，它的结构表示如下

1type closure struct {
2    F uintptr   // 函数指针，代表着内部匿名函数
3    x *int      // 自由变量x，代表着对外部环境的引用
4}

之后，在通过 runtime.newobject 函数创建了闭包对象。而且由于 LEAQ xxx yyy代表的是将 xxx 指针，传递给 yyy，因此 outer 函数最终的返回，其实是闭包结构体对象指针。在《详解逃逸分析》一文中，我们详细地描述了Go编译器的逃逸分析机制，对于这种函数返回暴露给外部指针的情况，很明显，闭包对象会被分配至堆上，变量x也会随着对象逃逸至堆。这就很好地解释了为什么x变量没有随着函数栈的销毁而消亡。

我们可以通过逃逸分析来验证我们的结论

 1$  go build -gcflags &#39;-m -m -l&#39; main.go
 2# command-line-arguments
 3./main.go:6:3: outer.func1 capturing by ref: x (addr=true assign=true width=8)
 4./main.go:5:9: func literal escapes to heap:
 5./main.go:5:9:   flow: ~r0 = &{storage for func literal}:
 6./main.go:5:9:     from func literal (spill) at ./main.go:5:9
 7./main.go:5:9:     from return func literal (return) at ./main.go:5:2
 8./main.go:4:2: x escapes to heap:
 9./main.go:4:2:   flow: {storage for func literal} = &x:
10./main.go:4:2:     from func literal (captured by a closure) at ./main.go:5:9
11./main.go:4:2:     from x (reference) at ./main.go:6:3
12./main.go:4:2: moved to heap: x                   // 变量逃逸
13./main.go:5:9: func literal escapes to heap       // 函数逃逸

至此，我相信读者已经明白为什么闭包能持续持有外部变量的原因了。那么，我们来思考上文中留下的疑问，为什么在x:=1 时会调用 runtime.newobject 函数。

我们将上文中的例子改为如下，即删掉 x++ 代码

 1package main
 2
 3func outer() func() int {
 4    x := 1
 5    return func() int {
 6        return x
 7    }
 8}
 9
10func main() {
11    _ = outer()
12}

此时，x:=1处的汇编代码，将不再调用 runtime.newobject 函数，通过逃逸分析也会发现将x不再逃逸，生成的闭包对象中的x的将是值类型int

1type closure struct {
2    F uintptr 
3    x int      
4}

这其实就是Go编译器做得精妙的地方：当闭包内没有对外部变量造成修改时，Go 编译器会将自由变量的引用传递优化为直接值传递，避免变量逃逸。

总结

函数闭包一点也不神秘，它就是函数和引用环境而组合的实体。在Go中，闭包在底层是一个结构体对象，它包含了函数指针与自由变量。

Go コンパイラのエスケープ解析機構はクロージャオブジェクトをヒープに割り当てるため、関数スタックが破壊されても自由変数は消滅せず、クロージャエンティティに応じて常に存在できます。したがって、クロージャを使用する利点と欠点は明らかです: クロージャはグローバル変数の使用を回避し、代わりにメモリに格納された自由変数を長期間維持できますが、この暗黙的な自由変数の保持は、不適切に使用されると問題を引き起こします。メモリの無駄とリーク。

実際のプロジェクトでは、クロージャの使用シナリオはそれほど多くありません。もちろん、コード内にクロージャを記述する場合、たとえば、記述したコールバック関数がクロージャを形成する場合は注意が必要です。そうしないと、メモリ使用量の問題が原因で問題が発生する可能性があります。

以上がGo 関数クロージャの基礎となる実装の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。

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