深入理解 Function & Closure 闭包

 

前言

在最初设计 Dart 的时候，参考了 JavaScript 许多特性。无论是在异步处理，还是在语法上，都能看到它的影子。熟悉 Dart 的同学应该明白，在 Dart 中一切皆为对象。不仅 int、bool 是通过 core library 提供的类创建出的对象，连函数也被看作是对象。（本文中可能会出现 函数 / 方法 二者仅叫法不同）而本文将带你深入理解 Dart 的函数（Function）&闭包（Closure）以及它们的用法。

什么是 Closure（闭包）

如果你从未听说过闭包，没关系，本节将会从零开始引入闭包这个概念。在正式介绍闭包之前，我们需要先来了解一下 Lexical scoping。

詞法作用域 Lexical scoping

也许你对这个词很陌生，但是它却是最熟悉的陌生人。我们先来看下面一段代码。

void main() {
  var a = 0;
  var a = 1; //  Error：The name 'a' is already defined
}

你肯定已经发现了，我们在该段代码中犯了一个明显的错误。那就是定义了两次变量 a，而编译器也会提示我们，a 这个变量名已经被定义了。

这是由于，我们的变量都有它的 词法作用域 ，在同一个词法作用域中仅允许存在一个名称为 a 的变量，且在编译期就能够提示语法错误。

这很好理解，如果一个 Lexical scoping 中存在两个同名变量 a，那么我们访问的时候从语法上就无法区分到底你是想要访问哪一个 a 了。

上述代码中，我们在 main 函数的词法作用域中定义了两次 a

仅需稍作修改

 void main() {
  var a = 1; 
  print(a); // => 1
}

 var a = 0;

我们就能够正常打印出 a 的值为 1。简单的解释， var a = 0; 是该 dart 文件的 Lexical scoping 中定义的变量，而 var a = 1; 是在 main 函数的 Lexical scoping 中定义的变量，二者不是一个空间，所以不会产生冲突。

Function is Object

首先，要证明方法（函数）是一个对象这很简单。

print( (){} is Object ); // true

(){} 为一个匿名函数，我们可以看到输出为 true。

知道了 Function is Object 还不够，我们应该如何看待它呢。

void main() {
  var name = 'Vadaski';
  
  var printName = (){
    print(name);
  };
}

可以很清楚的看到，我们可以在 main 函数内定义了一个新的方法，而且还能够将这个方法赋值给一个变量 printName。

但是如果你运行这段代码，你将看不到任何输出，这是为什么呢。

实际上我们在这里定义了 printName 之后，并没有真正的去执行它。我们知道，要执行一个方法，需要使用 XXX() 才能真正执行。

void main() {
  var name = 'Vadaski';
  
  var printName = (){
    print(name);
  };
  
  printName(); // Vadaski
}

上面这个例子非常常见，在 printName 内部访问到了外部定义的变量 name。也就是说，一个 Lexical scoping 内部 是能够访问到 外部 Lexical scoping 中定义的变量的。

Function + Lexical scoping

内部访问外部定义的变量是 ok 的，很容易就能够想到，外部是否可以访问内部定义的变量呢。

如果是正常访问的话，就像下面这样。

void main() {
  
  var printName = (){
    var name = 'Vadaski';
  };
  printName();
  
  print(name); // Error：Undefined name 'name'
}

这里出现了未定义该变量的错误警告，可以看出 printName 中定义的变量，对于 main 函数中的变量是不可见的。Dart 和 JavaScript 一样具有链式作用域，也就是说，子作用域可以访问父（甚至是祖先）作用域中的变量，而反过来不行。

访问规则

从上面的例子我们可以看出，Lexical scoping 实际上是以链式存在的。一个 scope 中可以开一个新的 scope，而不同 scope 中是可以允许重名变量的。那么我们在某个 scope 中访问一个变量，究竟是基于什么规则来访问变量的呢。

void main() {
  var a = 1;
  firstScope(){
    var a = 2;
    print('$a in firstScope'); //2 in firstScope
  }
  print('$a in mainScope'); //1 in mainScope
  firstScope();
}

在上面这个例子中我们可以看到，在 main 和 firstScope 中都定义了变量 a。我们在 firstScope 中 print，输出了 2 in firstScope 而在 main 中 print 则会输出 1 in mainScope 。

我们已经可以总结出规律了：近者优先。

如果你在某个 scope 中访问一个变量，它首先会看当前 scope 中是否已经定义该变量，如果已经定义，那么就使用该变量。如果当前 scope 没找到该变量，那么它就会在它的上一层 scope 中寻找，以此类推，直到最初的 scope。如果所有 scope 链上都不存在该变量，则会提示 Error：Undefined name 'name'。

Tip: Dart scope 中的变量是静态确定的，如何理解呢？

void main() {
  print(a); // Local variable 'a' can't be referenced before it is declared
  var a;
}
var a = 0;

我们可以看到，虽然在 main 的父 scope 中存在变量 a，且已经赋值，但是我们在 main 的 scope 中也定义了变量 a。因为是静态确定的，所以在 print 的时候会优先使用当前 scope 中定义的 a，而这时候 a 的定义在 print 之后，同样也会导致编译器错误：Local variable ‘a’ can’t be referenced before it is declared。

Closure 的定义

有了上面这些知识，我们现在可以来看看 Closure 的定义了。

A closure is a function object that has access to variables in its lexical scope, even when the function is used outside of its original scope.

闭包即一个函数对象，即使函数对象的调用在它原始作用域之外，依然能够访问在它词法作用域内的变量。

你可能对这段话还是很难一下就理解到它到底在说什么。如果简要概括 Closure 的话，它实际上就是有状态的函数。

函数状态

无状态函数

通常我们执行一个函数，它都是无状态的。你可能会产生疑问，啥？状态？？我们还是看一个例子。

void main() {
  printNumber(); // 10
  printNumber(); // 10
}

void printNumber(){
  int num = 0;
  for(int i = 0; i < 10; i++){
    num++;
  }
  print(num);
}

上面的代码很好预测，它将会输出两次 10，我们多次调用一个函数的时候，它还是会得到一样的输出。

但是，当我们理解 Function is Object 之后，我们应该如何从 Object 的角度来看待函数的执行呢。

显然 printNumber(); 创建了一个 Function 对象，但是我们没有将它赋值给任何变量，下次一个 printNumber(); 实际上创建了一个新的 Function，两个对象都执行了一遍方法体，所以得到了相同的输出。

有状态函数

无状态函数很好理解，我们现在可以来看看有状态的函数了。

void main() {
  var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    return (){
      for(int i = 0; i < 10; i++){
        num++;
      }
      print(num);
    };
  };
  
  var printNumber = numberPrinter();
  printNumber(); // 10
  printNumber(); // 20
}

上面这段代码同样执行了两次 printNumber();，然而我们却得到了不同的输出 10，20。好像有点 状态 的味道了呢。

但看上去似乎还是有些难以理解，让我们一层一层来看。

var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    /// execute function
  };

首先我们定义了一个 Function 对象，然后把交给 numberPrinter 管理。在创建出来的这个 Function 的 Lexical scoping 中定义了一个 num 变量，并赋值为 0。

注意：这时候该方法并不会立刻执行，而是等调用了 numberPrinter() 的时候才执行。所以这时候 num 是不存在的。

return (){
    for(int i = 0; i < 10; i++){
        num++;
    }
    print(num);
};

然后返回了一个 Function。这个 Function 能够拿到其父级 scope 中的 num ，并让其增加 10，然后打印 num 的值。

var printNumber = numberPrinter();

然后我们通过调用 numberPrinter()，创建了该 Function 对象，这就是一个 Closure！ 这个对象真正执行我们刚才定义的 numberPrinter，并且在它的内部的 scope 中就定义了一个 int 类型的 num。然后返回了一个方法给 printNumber。

实际上返回的匿名 Function 又是另一个闭包了。

然后我们执行第一次 printNumber()，这时候将会获得闭包储存的 num 变量，执行下面的内容。

// num: 0
for(int i = 0; i < 10; i++){
    num++; 
}
print(num);

最开始 printNumber 的 scope 中储存的 num 为 0，所以经过 10 次自增，num 的值为 10，最后 print 打印了 10。

而第二次执行 printNumber() 我们使用的还是同一个 numberPrinter 对象，这个对象在第一次执行完毕后，其 num 已经为 10，所以第二次执行后，是从 10 开始自增，那么最后 print 的结果自然就是 20 了。

在整个调用过程中，printNumber 作为一个 closure，它保存了内部 num 的状态，只要 printNumber 不被回收，那么其内部的所有对象都不会被 GC 掉。

所以我们也需要注意到闭包可能会造成内存泄漏，或带来内存压力问题。

到底啥是闭包

再回过头来理解一下，我们对于闭包的定义就应该好理解了。

闭包即一个函数对象，即使函数对象的调用在它原始作用域之外，依然能够访问在它词法作用域内的变量。

在刚才的例子中，我们的 num 是在 numberPrinter 内部定义的，可是我们可以通过返回的 Function 在外部访问到了这个变量。而我们的 printNumber 则一直保存了 num。

分阶段看闭包

在我们使用闭包的时候，我将它看为三个阶段。

定义阶段

这个阶段，我们定义了 Function 作为闭包，但是却没有真正执行它。

void main() {
  var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    return (){
      print(num);
    };
  };

这时候，由于我们只是定义了闭包，而没有执行，所以 num 对象是不存在的。

创建阶段

var printNumber = numberPrinter();

这时候，我们真正执行了 nu mberPrinter 闭包的内容，并返回执行结果，num 被创建出来。这时候，只要 printNumber 不被 GC，那么 num 也会一直存在。

访问阶段

printNumber(); 
printNumber();

然后我们可以通过某种方式访问 numberPrinter 闭包中的内容。(本例中间接访问了 num)

以上三个阶段仅方便理解，不是严谨描述。

Closure 的应用

如果仅是理解概念，那么我们看了可能也就忘了。来点实在的，到底 Closure 可以怎么用？

在传递对象的位置执行方法

比如说我们有一个 Text Widget 的内容有些问题，直接给我们 show 了一个 Error Widget。这时候，我想打印一下这个内容看看到底发生了啥，你可以这样做。

Text((){
    print(data);
    return data;
}())

是不是很神奇，竟然还有这种操作。

Tip 立即执行闭包内容：我们这里通过闭包的语法 (){}() 立刻执行闭包的内容，并把我们的 data 返回。

虽然 Text 这里仅允许我们传一个 String，但是我依然可以执行 print 方法。

另一个 case 是，如果我们想要仅在 debug 模式下执行某些语句，也可以通过 closure 配合断言来实现。

assert(() {
   child.owner._debugElementWasRebuilt(child);// execute some code
   return true;
}());

解释一下，首先 assert 断言仅在 debug 模式下才会开启，所以断言内的内容可以仅在 debug 模式才得以执行。

然后我们知道，Function( ) 调用就会执行，所以这里我们通过匿名闭包 (){}() 立刻执行了闭包中的内容，并返回 true 给断言，让它不会挂掉。从而达到了仅在 debug 模式下执行该闭包内的语句。

实现策略模式

通过 closure 我们可以很方便实现策略模式。

void main(){
  var res = exec(select('sum'),1 ,2);
  print(res);
}

Function select(String opType){
  if(opType == 'sum') return sum;
  if(opType == 'sub') return sub;
  return (a, b) => 0;
}

int exec(NumberOp op, int a, int b){
  return op(a,b);
}

int sum(int a, int b) => a + b;
int sub(int a, int b) => a - b;

typedef NumberOp = Function (int a, int b);

通过 select 方法，可以动态选择我们要执行的具体方法。你可以在 https://dartpad.cn/143c33897a0eac7e2d627b01983b7307 运行这段代码。

实现 Builder 模式 / 懒加载

如果你有 Flutter 经验，那么你应该使用过 ListView.builder，它很好用对不对。我们只向 builder 属性传一个方法，ListView 就可以根据这个 builder 来构建它的每一个 item。实际上，这也是 closure 的一种体现。

ListView.builder({
//...
    @required IndexedWidgetBuilder itemBuilder,
//...
  })
  
typedef IndexedWidgetBuilder = Widget Function(BuildContext context, int index);

Flutter 通过 typedef 定义了一种 Function，它接收 BuildContext 和 int 作为参数，然后会返回一个 Widget。对这样的 Function 我们将它定义为 IndexedWidgetBuilder 然后将它内部的 Widget 返回出来。这样外部的 scope 也能够访问 IndexedWidgetBuilder 的 scope 内部定义的 Widget，从而实现了 builder 模式。

同样，ListView 的懒加载（延迟执行）也是闭包很重要的一个特性哦～

牛刀小试

在学习了 closure 以后，我们来道题检验一下你是否真正理解了吧～

main(){
  var counter = Counter(0);
  fun1(){
    var innerCounter = counter;
    Counter incrementCounter(){
      print(innerCounter.value);
      innerCounter.increment();
      return innerCounter;
    }
    return incrementCounter;
  }

  var myFun = fun1();
  print(myFun() == counter);
  print(myFun() == counter);
}

class Counter{
  int value;
  Counter(int value) 
  : this.value = value;

  increment(){
    value++;
  }
}

上面这段代码会输出什么呢？

如果你已经想好了答案，就来 DartPad 线上运行 看看是否正确吧！

写在最后

本文非常感谢 @Realank Liu 的 Review 以及宝贵的建议～

时隔半年来迟迟的更新，不知道是否对大家有点帮助呢～ Closure 在实现 Flutter 的诸多功能上都发挥着重要的作用，可以说它已经深入你编程的日常，默默帮助我们更好地编写 Dart 代码，作为一名不断精进的 Dart 开发者，是时候用起来啦～之后的文章中，我会逐渐转向 Dart，给大家带来更深入的内容，敬请期待！

如果您对本文还有任何疑问或者文章的建议，欢迎通过我的邮箱 xinlei966@gmail.com 与我联系，我会及时回复！