一篇文章搞懂：詞法作用域、動態(tài)作用域、回調(diào)函數(shù)及閉包

前言

把以前一直只限于知道，卻不清晰理解的這幾個概念完完整整地梳理了一番。內(nèi)容參考自wiki頁面，然后加上自己一些理解。

詞法作用域和動態(tài)作用域

不管什么語言，我們總要學習作用域(或生命周期)的概念，比如常見的稱呼：全局變量、包變量、模塊變量、本地變量、局部變量等等。不管如何稱呼這些作用域的范圍，實現(xiàn)它們的目的都一樣：

(1)為了避免名稱沖突;

(2)為了限定變量的生命周期(本文以變量名說事，其它的名稱在規(guī)則上是一樣的)。

但是不同語言的作用域規(guī)則不一樣，雖然學個簡單的基礎就足夠應用，因為我們有編程規(guī)范：(1)盡量避免名稱沖突;(2)加上類似于local的修飾符盡量縮小生效范圍;(3)放進代碼塊，等等。但是真正去細心驗證作用域的生效機制卻并非易事(我學Python的時候，花了很長時間細細驗證，學perl的時候又花了很長時間細細驗證)，但可以肯定的是，理解本文的詞法作用域規(guī)則(Lexical scoping)和動態(tài)作用域規(guī)則(dynamic scoping)，對學習任何語言的作用域規(guī)則都有很大幫助，這兩個規(guī)則是各種語言都宏觀通用的。

很簡單的一段bash下的代碼：

x=1
function g(){ echo "g: $x" ; x=2; }
function f(){ local x=3 ; g; echo "f: $x"; } # 輸出2還是3
f   # 輸出1還是3？
echo $x  # 輸出1還是2？

對于bash來說，上面輸出的分別是3(g函數(shù)中echo)、2(f函數(shù)中的echo)和1(最后一行echo)。但是同樣語義的代碼在其它語言下得到的結(jié)果可能就不一樣(分別輸出1、3和2，例如perl中將local替換為my)。

這牽扯到兩種貫穿所有程序語言的作用域概念：詞法作用域(類似于C語言中static)和動態(tài)作用域。詞法作用域和"詞法"這個詞真的沒什么關系，反而更應該稱之為"文本段作用域"。要區(qū)別它們，只需要回答"函數(shù)out_func中嵌套的內(nèi)層函數(shù)in_func能否看見out_func中的環(huán)境"。

對于上面的bash代碼來說，假如這段代碼是適用于所有語言的偽代碼：

對于詞法作用域的語言，執(zhí)行f時會調(diào)用g，g將無法訪問f文本段的變量，詞法作用域認為g并不是f的一部分，而是跳出f的，因為g的定義文本段是在全局范圍內(nèi)的，所以它是全局文本段的一部分。如果函數(shù)g的定義文本段是在f內(nèi)部，則g屬于f文本段的一部分。

• 所以g不知道f文本段中local x=3的設置，于是g的echo會輸出全局變量x=1，然后設置x=2，因為它沒有加上作用域修飾符，而g又是全局內(nèi)的函數(shù)，所以x將修改全局作用域的x值，使得最后的echo輸出2，而f中的echo則輸出它自己文本段中的local x=3。所以整個流程輸出1 3 2

對于動態(tài)作用域的語言，執(zhí)行f時會調(diào)用g，g將可以訪問f文本中的變量，動態(tài)作用域認為g是f文本段的一部分，是f中的嵌套函數(shù)。

• 所以g能看到local x=3的設置，所以g的echo會輸出3。g中設置x=2后，僅僅只是在f的內(nèi)層嵌套函數(shù)中設置，所以x=2對g文本段和f文本段(因為g是f的一部分)都可見，但對f文本段外部不可見，所以f中的echo輸出2，最后一行的echo輸出1。所以整個流程輸出3 2 1

總結(jié)來說：

• 詞法作用域是關聯(lián)在編譯期間的，對于函數(shù)來說就是函數(shù)的定義文本段的位置決定這個函數(shù)所屬的范圍。
• 動態(tài)作用域是關聯(lián)在程序執(zhí)行期間的，對于函數(shù)來說就是函數(shù)執(zhí)行的位置決定這個函數(shù)所屬的范圍。

由于bash實現(xiàn)的是動態(tài)作用域規(guī)則。所以，輸出的是3 2 1。對于perl來說，my修飾符實現(xiàn)詞法作用域規(guī)則，local修飾符實現(xiàn)動態(tài)作用域規(guī)則。

例如，使用my修飾符的perl程序：

#!/usr/bin/perl

$x=1;
sub g { print "g: $x\n"; $x=2; }
sub f { my $x=3; g(); print "f: $x\n"; } # 詞法作用域
f(); 
print "$x\n"; 

執(zhí)行結(jié)果：

[fairy@fairy:/perlapp]$ perl scope2.pl
g: 1
f: 3
2

使用local修飾符的perl程序：

#!/usr/bin/perl

$x=1;
sub g { print "g: $x\n"; $x=2; }
sub f { local $x=3; g(); print "f: $x\n"; } # 動態(tài)作用域
f(); 
print "$x\n"; 

執(zhí)行結(jié)果：

[fairy@fairy:/perlapp]$ perl scope2.pl
g: 3
f: 2
1

有些語言只支持一種作用域規(guī)則，特別是那些比較現(xiàn)代化的語言，而有些語言支持兩種作用域規(guī)則(正如perl語言，my實現(xiàn)詞法變量作用域規(guī)則，local實現(xiàn)動態(tài)作用域規(guī)則)。相對來說，詞法作用域規(guī)則比較好控制整個流程，還能借此實現(xiàn)更豐富的功能(如最典型的"閉包"以及高階函數(shù))，而動態(tài)作用域由于讓變量生命周期"沒有任何深度"(回想一下shell腳本對函數(shù)和作用域的控制，非常傻瓜化)，比較少應用上，甚至有些語言根本不支持動態(tài)作用域。

閉包和回調(diào)函數(shù)

理解閉包、回調(diào)函數(shù)不可不知的術(shù)語

1.引用(reference)：數(shù)據(jù)對象和它們的名稱

前文所說的可見、不可見、變量是否存在等概念，都是針對變量名(或其它名稱，如函數(shù)名、列表名、hash名)而言的，和變量的值無關。名稱和值的關系是引用(或指向)關系，賦值的行為就是將值所在的數(shù)據(jù)對象的引用(指針)交給名稱，讓名稱指向這個內(nèi)存中的這個數(shù)據(jù)值對象。如下圖：

2.一級函數(shù)(first-class functions)和高階函數(shù)(high-order functions)

有些語言認為函數(shù)就是一種類型，稱之為函數(shù)類型，就像變量一樣。這種類型的語言可以：

將函數(shù)賦值給某個變量，那么這個變量就是這個函數(shù)體的另一個引用，就像是第二個函數(shù)名稱一樣。通過這個函數(shù)引用變量，可以找到函數(shù)體，然后調(diào)用執(zhí)行。

• 例如perl中$ref_func=\myfunc表示將函數(shù)myfunc的引用賦值給$ref_func，那么$ref_func也指向這個函數(shù)。

將函數(shù)作為另一個函數(shù)的參數(shù)。例如兩個函數(shù)名為myfunc和func1，那么myfunc(func1)就將func1作為myfunc的參數(shù)。

• 這種行為一般用于myfunc函數(shù)中對滿足某些邏輯的東西執(zhí)行func1函數(shù)。
• 舉個簡單的例子，unix下的find命令，將find看作是一個函數(shù)，它用于查找指定路徑下符合條件的文件名，將-print、-exec {}\;選項實現(xiàn)的功能看作是其它的函數(shù)(請無視它是否真的是函數(shù))，這些選項對應的函數(shù)是find函數(shù)的參數(shù)，每當find函數(shù)找到符合條件的文件名時，就執(zhí)行-print函數(shù)輸出這個文件名

函數(shù)的返回值也可以是另一個函數(shù)。例如myfunc函數(shù)的定義語句為function myfunc(){ ...return func1 }。

其實，實現(xiàn)上面三種功能的函數(shù)稱之為一級函數(shù)或高階函數(shù)，其中高階函數(shù)至少要實現(xiàn)上面的2和3。一級函數(shù)和高階函數(shù)并沒有區(qū)分的必要，但如果一定要區(qū)分，那么：

• 一級函數(shù)更像是一種術(shù)語概念，它將函數(shù)當作一種值看待，可以將其賦值出去、作為參數(shù)傳遞出去以及作為返回值，對于計算機程序語言而言，它更多的是用來描述某種語言是否支持一級函數(shù)；
• 高階函數(shù)是一種函數(shù)類型，就像回調(diào)函數(shù)一樣，當某個函數(shù)符合高階函數(shù)的特性，就可以將其稱之為這是一個高階函數(shù)。

3.自由變量(free variable)和約束變量(bound variable)

這是一組數(shù)學界的術(shù)語。

在計算機程序語言中，自由變量是指函數(shù)中的一種特殊變量，這種變量既不在本函數(shù)中定義，也不是本函數(shù)的參數(shù)。換句話說，可能是外層函數(shù)中定義的但卻在內(nèi)層函數(shù)中使用的，所以自由變量常常和"非本地變量"(non-local variable，熟悉Python的人肯定知道)互用。例如：

function func1(x){
 var z;
 function func2(y){
  return x+y+z  # x和z既不是func2內(nèi)部定義的，也不是func2的參數(shù)，所以x和z都是自由變量
 }
 return func1
}

自由變量和約束變量對應。所謂約束變量，是指這個變量之前是自由變量，但之后會對它進行賦值，將自由變量綁定到一個值上之后，這個變量就成為約束變量或者稱為綁定變量。

例如：

function func1(x){
 var m=20  # 對func2來說，這是自由變量，對其賦值，所以m變成了bound variable
 var z
 function func2(y){
  z=10  # 對自由變量z賦值，z變成bound variable
  return m+x+y+z  # m、x和z都是自由變量
 }
 return func1
}

ref_func=func1(3)  # 對x賦值，x變成bound variable

回調(diào)函數(shù)

回調(diào)函數(shù)一開始是C里面的概念，它表示的是一個函數(shù)：

• 可以訪問另一個函數(shù)
• 當這個函數(shù)執(zhí)行完了，會執(zhí)行另一個函數(shù)

也就是說，將一個函數(shù)(B)作為參數(shù)傳遞給另一個函數(shù)(A)，但A執(zhí)行完后，再自動調(diào)用B。所以這種回調(diào)函數(shù)的概念也稱為"call after"。

但是現(xiàn)在回調(diào)函數(shù)已經(jīng)足夠通用化了。通用化的回調(diào)函數(shù)定義為：將函數(shù)B作為另一個函數(shù)A的參數(shù)，執(zhí)行到函數(shù)A中某個地方的時候去調(diào)用B。和原來的概念相比，不再是函數(shù)A結(jié)束后再調(diào)用，而是我們自己定義在哪個地方調(diào)用。

例如，Perl中的File::Find模塊中的find函數(shù)，通過這個函數(shù)加上回調(diào)函數(shù)，可以實現(xiàn)和unix find命令相同的功能。例如，搜索某個目錄下的文件，然后print輸出這個文件名，即find /path xxx -print。

#!/usr/bin/perl
use File::Find;

sub print_path {   # 定義一個函數(shù)，用于輸出路徑名稱
 print "$File::Find::name\n";
}

$callback = \print_path; # 創(chuàng)建一個函數(shù)引用，名為$callback，所以perl是一種支持一級函數(shù)的語言

find( $callback,"/tmp" ); # 查找/tmp下的文件，每查找到一個文件，就執(zhí)行一次$callback函數(shù)

這里傳遞給find函數(shù)的$callback就是一個回調(diào)函數(shù)。幾個關鍵點：

• $callback作為參數(shù)傳遞給另一個find()函數(shù)(所以find()函數(shù)是一個高階函數(shù))
• 在find()函數(shù)中，每查找到一個文件，就調(diào)用一次這個$callback函數(shù)。當然，如果find是我們自己寫的程序，就可以由我們自己定義在什么地方去調(diào)用$callback
• $callback不是我們主動調(diào)用的，而是由find()函數(shù)在某些情況下(每查找到一個文件)去調(diào)用的

回調(diào)就像對函數(shù)進行填空答題一樣，根據(jù)我們填入的內(nèi)容去復用填入的函數(shù)從而實現(xiàn)某一方面的細節(jié)，而普通函數(shù)則是定義了就只能機械式地復用函數(shù)本身。

之所以稱為回調(diào)函數(shù)，是因為這個函數(shù)并非由我們主觀地、直接地去調(diào)用，而是將函數(shù)作為一個參數(shù)，通過被調(diào)用者間接去調(diào)用這個函數(shù)參數(shù)。本質(zhì)上，回調(diào)函數(shù)和一般的函數(shù)沒有什么區(qū)別，可能只是因為我們定義一個函數(shù)，卻從來沒有直接調(diào)用它，這一點感覺上有點奇怪，所以有人稱之為"回調(diào)函數(shù)"，用來統(tǒng)稱這種間接的調(diào)用關系。

回調(diào)函數(shù)可以被多線程異步執(zhí)行。

徹底搞懂閉包

計算機中的閉包概念是從數(shù)學世界引入的，在計算機程序語言中，它也稱為詞法閉包、函數(shù)閉包。

閉包簡單的、通用的定義是指：函數(shù)引用一個詞法變量，在函數(shù)或語句塊結(jié)束后(變量的名稱消失)，詞法變量仍然對引用它的函數(shù)有效。在下一節(jié)還有關于閉包更嚴格的定義(來自wiki)。

看一個python示例：函數(shù)f中嵌套了函數(shù)g，并返回函數(shù)g

def f(x):
 def g(y):
  return x + y
 return g # 返回一個閉包：有名稱的函數(shù)(高階函數(shù)的特性)

# 將執(zhí)行函數(shù)時返回的閉包函數(shù)賦值給變量(高階函數(shù)的特性)
a = f(1)

# 調(diào)用存儲在變量中閉包函數(shù)
print (a(5))

# 無需將閉包存儲進臨時變量，直接一次性調(diào)用閉包函數(shù)
print( f(1)(5) ) # f(1)是閉包函數(shù)，因為沒有將其賦值給變量，所以f(1)稱為"匿名閉包"

上面的a是一個閉包，它是函數(shù)g()的一個實例。f()的參數(shù)x可以被g訪問，在f()返回g函數(shù)后，f()就退出了，隨之消失的是變量名x(注意是變量名稱x，變量的值在這里還不一定會消失)。當將閉包f(1)賦值給a后，原來x指向的數(shù)據(jù)對象(即數(shù)值1)仍被a指向的閉包函數(shù)引用著，所以x對應的值1在x消失后仍保存在內(nèi)存中，只有當名為a的閉包被消除后，原來x指向的數(shù)值1才會消失。

閉包特性1：對于返回的每個閉包g()來說，不同的g()引用不同的x對應的數(shù)據(jù)對象。換句話說，變量x對應的數(shù)據(jù)對象對每個閉包來說都是相互獨立的

例如下面得到兩個閉包，這兩個閉包中持有的自由變量雖然都引用相等的數(shù)值1，但兩個數(shù)值是不同數(shù)據(jù)對象，這兩個閉包也是相互獨立的：

a=f(1)
b=f(1)

閉包特性2：對于某個閉包函數(shù)來說，只要這不是一個匿名閉包，那么閉包函數(shù)可以一直訪問x對應的數(shù)據(jù)對象，即使名稱x已經(jīng)消失

但是

a=f(1)   # 有名稱的閉包a，將一直引用數(shù)值對象1
a(3)    # 調(diào)用閉包函數(shù)a，將返回1+3=4，其中1是被a引用著的對象，即使a(3)執(zhí)行完了也不放開
a(3)    # 再次調(diào)用函數(shù)a，將返回4，其中1和上面一條語句的1是同一個數(shù)據(jù)對象
f(1)(3)   # 調(diào)用匿名的閉包函數(shù)，數(shù)據(jù)對象1在f(1)(3)執(zhí)行完就消失
f(1)(3)   # 調(diào)用匿名的閉包函數(shù)，和上面的匿名閉包是相互獨立的

最重要的特性就在于上面執(zhí)行的兩次a(3)：將詞法變量的生命周期延長，但卻足夠安全。

看下面perl程序中的閉包函數(shù)，可以更直觀地看到結(jié)果。

sub how_many {    # 定義函數(shù)
  my $count=2;   # 詞法變量$count
  return sub {print ++$count,"\n"}; # 返回一個匿名函數(shù)，這是一個匿名閉包
}

$ref=how_many();  # 將閉包賦值給變量$ref

how_many()->();   # (1)調(diào)用匿名閉包：輸出3
how_many()->();   # (2)調(diào)用匿名閉包：輸出3
$ref->();      # (3)調(diào)用命名閉包：輸出3
$ref->();      # (4)再次調(diào)用命名閉包：輸出4

上面將閉包賦值給$ref，通過$ref去調(diào)用這個閉包，則即使how_many中的$count在how_many()執(zhí)行完就消失了，但$ref指向的閉包函數(shù)仍然在引用這個變量，所以多次調(diào)用$ref會不斷修改$count的值，所以上面(3)和(4)先輸出3，然后輸出改變后的4。而上面(1)和(2)的輸出都是3，因為兩個how_many()函數(shù)返回的是獨立的匿名閉包，在語句執(zhí)行完后數(shù)據(jù)對象3就消失了。

閉包更嚴格的定義

注意，嚴格定義的閉包和前面通俗定義的閉包結(jié)果上是不一樣的，通俗意義上的閉包并不一定符合嚴格意義上的閉包。

關于閉包更嚴格的定義，是一段誰都看不懂的說明(來自wiki)。如下，幾個關鍵詞我加粗顯示了，因為重要。

閉包是一種在支持一級函的編程語言中能夠?qū)⒃~法作用域中的變量名稱進行綁定的技術(shù)。在操作上，閉包是一種用于保存函數(shù)和環(huán)境的記錄。這個環(huán)境記錄了一些關聯(lián)性的映射，將函數(shù)的每個自由變量與創(chuàng)建閉包時所綁定名稱的值或引用相關聯(lián)。通過閉包，就算是在作用域外部調(diào)用函數(shù)，也允許函數(shù)通過閉包拷貝他們的值或通過引用的方式去訪問那些已經(jīng)被捕獲的變量。

我知道這段話誰都看不懂，所以簡而言之一下：一個函數(shù)實例和一個環(huán)境結(jié)合起來就是閉包。這個所謂的環(huán)境，決定了這個函數(shù)的特殊性，決定了閉包的特性。

還是上面的python示例：函數(shù)f中嵌套了函數(shù)g，并返回函數(shù)g

def f(x):
  def g(y):
    return x + y
  return g # 返回一個閉包：有名稱的函數(shù)

# 將執(zhí)行函數(shù)時返回的閉包函數(shù)賦值給變量
a = f(1)

上面的a是一個閉包，它是函數(shù)g()的一個實例。f()的參數(shù)x可以被g訪問，對于g()來說，這個x不是g()內(nèi)部定義的，也不是g()的參數(shù)，所以這個x對于g來說是一個自由變量(free variable)。雖然g()中持有了自由變量，但是g()函數(shù)自身不是閉包函數(shù)，只有在g持有的自由變量x和傳遞給f()函數(shù)的x的值(即f(1)中的1)進行綁定的時候，才會從g()創(chuàng)建一個閉包函數(shù)，這表示閉包函數(shù)開始引用這個自由變量，并且這個閉包一直持有這個變量的引用，即使f()已經(jīng)執(zhí)行完畢了。然后在f()中return這個閉包函數(shù)，因為這個閉包函數(shù)綁定了(引用)自由變量x，這就是閉包函數(shù)所在的環(huán)境。

環(huán)境對閉包來說非常重要，是區(qū)別普通函數(shù)和閉包的關鍵。如果返回的每個閉包不是獨立持有屬于自己的自由變量，而是所有閉包都持有完全相同的自由變量，那么閉包雖然仍可稱為閉包，但和普通函數(shù)卻沒有區(qū)別了。例如：

def f(x):
  x=3
  def g(y):
    return x + y
  return g

a = f(1)
b = f(3)

在上面的示例中，x雖然是自由變量，但卻在g()的定義之前就綁定了值(前文介紹過，它稱為bound variable)，使得閉包a和閉包b持有的不再是自由變量，而是值對象完全相同的綁定變量，其值對象為3，a和b這個時候其實沒有任何區(qū)別(雖然它們是不同對象)。換句話說，有了閉包a就完全沒有必要再定義另一個功能上完全相同的閉包b。

在函數(shù)復用性的角度上來說，這里的a和普通函數(shù)沒有任何區(qū)別，都只是簡單地復用了函數(shù)體。而真正嚴格意義上的閉包，除了復用函數(shù)體，還復用它所在的環(huán)境。

但是這樣一種情況，對于通俗定義的閉包來說，返回的g()也是一個閉包，但在嚴格定義的閉包中，這已經(jīng)不算是閉包。

再看一個示例：將自由變量x放在g()函數(shù)定義文本段的后面。

def f(y):
  return x+y

x=1

def g(z):
  x=3
  return f(z)

print(g(1))  # 輸出2，而不是4

首先要說明的是，python在沒有給任何作用域修飾符的時候?qū)崿F(xiàn)的詞法作用域規(guī)則，所以上面return f(z)中的f()看見的是全局變量x(因為f()定義在全局文本段中)，而不是g()中的x=3。

回到閉包問題上。上面f()持有一個自由變量x，這個f(z)的文本定義段是在全局文本段中，它綁定的自由變量x是全局變量(聲明并初始化為空或0)，但是這個變量之后賦值為1了。對于g()中返回的每個f()所在的環(huán)境來說，它持有的自由變量x一開始都是不確定的，但是后來都確定為1了。這種情況也不能稱之為閉包，因為閉包是在f()對自由變量進行綁定時創(chuàng)建的，而這個時候x已經(jīng)是固定的值對象了。

回調(diào)函數(shù)、閉包和匿名函數(shù)

回調(diào)函數(shù)、閉包和匿名函數(shù)其實沒有必然的關系，但因為很多書上都將匿名函數(shù)和回調(diào)函數(shù)、閉包放在一起解釋，讓人誤以為回調(diào)函數(shù)、閉包需要通過匿名函數(shù)實現(xiàn)。實際上，匿名函數(shù)只是一個有函數(shù)定義文本段，卻沒有名稱的函數(shù)，而閉包則是一個函數(shù)的實例加上一個環(huán)境(嚴格意義上的定義)。

對于閉包和匿名函數(shù)來說，仍然以python為例：

def f(x):
  def g(y):
    return x + y
  return g  # 返回一個閉包：有名稱的函數(shù)

def h(x):
  return lambda y: x + y # 返回一個閉包：匿名函數(shù)

# 將執(zhí)行函數(shù)時返回的閉包函數(shù)賦值給變量
a = f(1)
b = h(1)

# 調(diào)用存儲在變量中閉包函數(shù)
print (a(5))
print (b(5))

對于回調(diào)函數(shù)和匿名函數(shù)來說，仍然以perl的find函數(shù)為例：

#!/usr/bin/perl
use File::Find;

$callback = sub {
  print "$File::Find::name\n";
}; # 創(chuàng)建一個匿名函數(shù)以及它的引用

find( $callback,"/tmp" ); # 查找/tmp下的文件，每查找到一個文件，就執(zhí)行一次$callback函數(shù)

匿名函數(shù)讓閉包的實現(xiàn)更簡潔，所以很多時候返回的閉包函數(shù)就是一個匿名函數(shù)實例。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。