C语言中闭包的探究及比较

下文是直接从酷客复制过来的，这里偷了个懒，没有再次对格式做很仔细的整理，只有稍微整理。汗。

这里主要讨论的是C语言的扩展特性block。该特性是Apple为C、C++、Objective-C增加的扩展，让这些语言可以用类Lambda表达式的语法来创建闭包。前段时间，在对CoreData存取进行封装时（让开发人员可以更简洁快速地写相关代码），我对block机制有了进一步了解，觉得可以和C++ 11中的Lambda表达式相互印证，所以最近重新做了下整理，分享给大家。

0. 简单创建匿名函数

下面两段代码的作用都是创建匿名函数并调用，输出Hello, World语句。分别使用Objective-C和C++ 11：

[cpp]
^{printf("Hello, World!\n"); } ();
[cpp] view plaincopy
[] { cout << "Hello, World" << endl; } ();

Lambda表达式的一个好处就是让开发人员可以在需要的时候临时创建函数，便捷。

在创建闭包（或者说Lambda函数）的语法上，Objective-C采用的是上尖号^，而C++ 11采用的是配对的方括号[]。

不过“匿名函数”一词是针对程序员而言的，编译器还是采取了一定的命名规则。

比如下面Objective-C代码中的3个block，

[cpp]
#import <Foundation/Foundation.h>

int(^maxBlk)(int, int) = ^(intm, intn){ returnm > n ? m : n; };

int main(intargc, constchar * argv[])
{
    ^{printf("Hello, World!\n"); } ();

    int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
    blk();

    return 0;
}

会产生对应的3个函数：

[cpp]
__maxBlk_block_func_0
__main_block_func_0
__main_block_func_1

可见函数的命名规则为：__{$Scope}_block_func_{$index}。其中{$Scope}为block所在函数，如果{$Scope}为全局就取block本身的名称；{$index}表示该block在{$Scope}作用域内出现的顺序（第几个block）。

1. 从语法上看如何捕获外部变量

在上面的代码中，已经看到“匿名函数”可以直接访问外围作用域的变量i：

[cpp]
int i = 1024;
void(^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
blk();

当匿名函数和non-local变量结合起来，就形成了闭包（个人看法）。
这一段代码可以成功输出i的值。

我们把一样的逻辑搬到C++上：

[cpp]
inti = 1024;
auto func = [] { printf("%d\n", i); };
func();

GCC会输出：错误：‘i’未被捕获。可见在C++中无法直接捕获外围作用域的变量。

以BNF来表示Lambda表达式的上下文无关文法，存在：

[cpp]
lambda-expression : lambda-introducer lambda-parameter-declarationopt compound-statement
lambda-introducer : [ lambda-captureopt ]

因此，方括号中还可以加入一些选项：
[cpp]
[]        Capture nothing (or, a scorched earth strategy?)
[&]       Capture any referenced variable by reference
[=]       Capture any referenced variable by 易做图 a copy
[=, &foo] Capture any referenced variable by 易做图 a copy, but capture variable foo by reference
[bar]     Capture bar by 易做图 a copy; don't copy anything else
[this]    Capture the thispointer of the enclosing class

根据文法，对代码加以修改，使其能够成功运行：
[cpp]
bash-3.2# vi testLambda.cpp
bash-3.2# g++-4.7 -std=c++11 testLambda.cpp -o testLambda
bash-3.2# ./testLambda
1024
bash-3.2# cat testLambda.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
     int i = 1024;
     auto func = [=] { printf("%d\n", i); };
     func();

     return 0;
}
bash-3.2#

2. 从语法上看如何修改外部变量

上面代码中使用了符号=，通过拷贝方式捕获了外部变量i。
但是如果尝试在Lambda表达式中修改变量i：

[cpp]
auto func = [=] { i = 0; printf("%d\n", i); };

会得到错误：
[cpp]
testLambda.cpp: 在 lambda 函数中:
testLambda.cpp:9:24: 错误：向只读变量‘i’赋值

可见通过拷贝方式捕获的外部变量是只读的。Python中也有一个类似的经典case，个人觉得有相通之处：

[cpp]
x=10
def foo():
print(x)
x+=1
foo()

这段代码会抛出UnboundLocalError错误，原因可以参见FAQ。

在C++的闭包语法中，如果需要对外部变量的写权限，可以使用符号&，通过引用方式捕获：

[cpp]
int i = 1024;
auto func = [&] { i = 0; printf("%d\n", i); };
func();

反过来，将修改外部变量的逻辑放到Objective-C代码中：

[cpp]
int i = 1024;
void(^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); };
blk();

会得到如下错误：

[cpp]
main.m:14:29: error: variable is not assignable (missing __block type specifier)
void(^blk)(void) = ^{ i++; printf("%d\n", i); };
~^
1 error generated.

可见在block的语法中，默认捕获的外部变量也是只读的，如果要修改外部变量，需要使用__block类型指示符进行修饰。
为什么呢？请继续往下看：）

3. 从实现上看如何捕获外部变量

闭包对于编程语言来说是一种语法糖，包括Block和Lambda，是为了方便程序员开发而引入的。因此，对Block特性的支持会落地在编译器前端，中间代码将会是C语言。

先看如下代码会产生怎样的中间代码。

[cpp]
int main(intargc, constchar * argv[])
{
    int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
    blk();

    return 0;
}

首先是block结构体的实现：

[cpp]
#ifndef BLOCK_IMPL
#define BLOCK_IMPL
struct__block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
// 省略部分代码

#endif

第一个成员isa指针用来表示该结构体的类型，使其仍然处于Cocoa的对象体系中，类似Python对象系统中的PyObject。

第二、三个成员是标志位和保留位。

第四个成员是对应的“匿名函数”，在这个例子中对应函数：

[cpp]
static void __main_block_func_0(struct__main_block_impl_0 *__cself) {
inti = __cself->i; // bound by copy
printf("%d\n", i);
}

函数__main_block_func_0引入了参数__cself，为struct __main_block_impl_0 *类型，从参数名称就可以看出它的功能类似于C++中的this指针或者Objective-C的self。
而struct __main_block_impl_0的结构如下：

[cpp]
struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int i;
    __main_block_impl_0(void*fp, struct__main_block_desc_0 *desc, int_i, intflags=0) : i(_i) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

补充：软件开发 , C语言 ,