C/C++语言中闭包的探究及比较

发布时间:2016-12-11 16:11:58 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
本篇文章主要介绍了"C/C++语言中闭包的探究及比较",主要涉及到C/C++语言中闭包的探究及比较方面的内容,对于C/C++语言中闭包的探究及比较感兴趣的同学可以参考一下。

http://coolshell.cn/articles/8309.html 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: 1 ^{ printf("Hello, World!\n"); } (); 1 [] { 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, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 #import <Foundation/Foundation.h>   int (^maxBlk)(int , int) = ^(int m, int n){ return m > n ? m : n; };   int main(int argc, const char * 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: 1 2 3 __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: 1 2 3 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: 1 2 3 int i = 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: 1 2 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: 1 2 3 4 5 6 []        Capture nothing (or, a scorched earth strategy?) [&]       Capture any referenced variable by reference [=]       Capture any referenced variable by making a copy [=, &foo] Capture any referenced variable by making a copy, but capture variable foo by reference [bar]     Capture bar by making a copy; don't copy anything else [this]    Capture the this pointer of the enclosing class 根据文法,对代码加以修改,使其能够成功运行: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 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: 1 auto func = [=] { i = 0; printf("%d\n", i); }; 会得到错误: 1 2 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: 1 2 3 4 5 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: 1 2 3 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: 1 2 3 int i = 1024; void (^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); }; blk(); 会得到如下错误: 1 2 3 4 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 int main(int argc, const char * argv[]) {     int i = 1024;     void (^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };     blk();       return 0; } 首先是block结构体的实现: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 #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: 1 2 3 4 static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {     int i = __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: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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, int flags=0) : i(_i) {         impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;         impl.Flags = flags;         impl.FuncPtr = fp;         Desc = desc;     } }; 从__main_block_impl_0这个名称可以看出该结构体是为main函数中第零个block服务的,即示例代码中的blk;也可以猜到不同场景下的block对应的结构体不同,但本质上第一个成员一定是struct __block_impl impl,因为这个成员是block实现的基石。 结构体__main_block_impl_0又引入了一个新的结构体,也是中间代码里最后一个结构体: 1 2 3 4 static struct __main_block_desc_0 {     unsigned long reserved;     unsigned long Block_size; } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)}; 可以看出,这个描述性质的结构体包含的价值信息就是struct __main_block_impl_0的大小。 最后剩下main函数对应的中间代码: 1 2 3 4 5 6 7 8 int main(int argc, const char * argv[]) {     int i = 1024;     void (*blk)(void) = (void (*)(void))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, i);     ((void (*)(struct __block_impl *))((struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);       return 0; } 从main函数对应的中间代码可以看出执行block的本质就是以block结构体自身作为__cself参数,这里对应__main_block_impl_0,通过结构体成员FuncPtr函数指针调用对应的函数,这里对应__main_block_func_0。 其中,局部变量i是以值传递的方式拷贝一份,作为__main_block_impl_0的构造函数的参数,并以初始化列表的形式赋值给其成员变量i。所以,基于这样的实现,不允许直接修改外部变量是合理的——因为按值传递根本改不到外部变量。 4. 从实现上看如何修改外部变量(__block类型指示符) 如果想要修改外部变量,则需要用__block来修饰: 1 2 3 4 5 6 7 8 int main(int argc, const char * argv[]) {     __block int i = 1024;     void (^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); };     blk();       return 0; } 此时再看中间代码,发现多了一个结构体: 1 2 3 4 5 6 7 struct __Block_byref_i_0 {     void *__isa;     __Block_byref_i_0 *__forwarding;     int __flags;     int __size;     int i; }; 于是,用__block修饰的int变量i化身为__Block_byref_i_0结构体的最后一个成员变量。 代码中blk对应的结构体也发生了变化: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 struct __main_block_impl_0 {     struct __block_impl impl;     struct __main_block_desc_0* Desc;     __Block_byref_i_0 *i; // by ref     __main_block_impl_0(void *fp, struct__main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {         impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;         impl.Flags = flags;         impl.FuncPtr = fp;         Desc = desc;     } }; __main_block_impl_0发生的变化就是int类型的成员变量i换成了__Block_byref_i_0 *类型,从名称可以看出现在要通过引用方式来捕获了。 对应的函数也不同了: 1 2 3 4 5 static void __main_block_func_0(struct  __main_block_impl_0 *__cself) {     __Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref     (i->__forwarding->i) = 0; // 看起来很厉害的样子     printf("%d\n", (i->__forwarding->i)); } main函数也有了变动: 1 2 3 4 5 6 7 8 int main(int argc, const char * argv[]) {     __block __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};     void (*blk)(void) = (void (*)(void))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (struct __Block_byref_i_0 *)&i, 570425344);     ((void (*)(struct __block_impl *))((struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);       return 0; } 前两行代码创建了两个关键结构体,特地高亮显示。 这里没有看__main_block_desc_0发生的变化,放到后面讨论。 使用__block类型指示符的本质就是引入了__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体,而被__block关键字修饰的变量就被放到这个结构体中。另外,block结构体通过引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}指针类型的成员,得以间接访问到外部变量。 通过这样的设计,我们就可以修改外部作用域的变量了,再一次应了那句话: There is no problem in computer science that can’t be solved by adding another level of indirection. 指针是我们最经常使用的间接手段,而这里的本质也是通过指针来间接访问,为什么要特地引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体,而不是直接使用int *来访问外部变量i呢? 另外,__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体中的__forwarding指针成员有何作用? 请继续往下看 :) 5. 背后的内存管理动作 在Objective-C中,block特性的引入是为了让程序员可以更简洁优雅地编写并发代码(配合看起来像敏感词的GCD)。比较常见的就是将block作为函数参数传递,以供后续回调执行。 先看一段完整的、可执行的代码: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 #import <Foundation/Foundation.h> #include <pthread.h>   typedef void (^DemoBlock)(void);   void test(); void *testBlock(void *blk);   int main(int argc, const char * argv[]) {     printf("Before test()\n");     test();     printf("After test()\n");       sleep(5);     return 0; }   void test() {     __block int i = 1024;     void (^blk)(void) = ^{ i = 2048; printf("%d\n", i); };       pthread_t thread;     int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)blk);     printf("thread returns : %d\n", ret);       sleep(3); // 这里睡眠1s的话,程序会崩溃 }   void *testBlock(void *blk) {     sleep(2);       printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");     DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;     demoBlk();       return NULL; } 在这个示例中,位于test()函数的block类型的变量blk就作为函数参数传递给testBlock。 正常情况下,这段代码可以成功运行,输出: 1 2 3 4 5 Before test() thread returns : 0 testBlock : Begin to exec blk. 2048 After test() 如果按照注释,将test()函数最后一行改为休眠1s的话,正常情况下程序会在输出如下结果后崩溃: 1 2 3 4 Before test() thread returns : 0 After test() testBlock : Begin to exec blk. 从输出可以看出,当要执行blk的时候,test()已经执行完毕回到main函数中,对应的函数栈也已经展开,此时栈上的变量已经不存在了,继续访问导致崩溃——这也是不用int *直接访问外部变量i的原因。 5.1 拷贝block结构体 上文提到block结构体__block_impl的第一个成员是isa指针,使其成为NSObject的子类,所以我们可以通过相应的内存管理机制将其拷贝到堆上: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 void test() {     __block int i = 1024;     void (^blk)(void) = ^{ i = 2048; printf("%d\n", i); };       pthread_t thread;     int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)[blk copy]);     printf("thread returns : %d\n", ret);       sleep(1); }   void *testBlock(void *blk) {     sleep(2);       printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");     DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;     demoBlk();     [demoBlk release];       returnNULL; } 再次执行,得到输出: 1 2 3 4 5 Before test() thread returns : 0 After test() testBlock : Begin to exec blk. 2048 可以看出,在test()函数栈展开后,demoBlk仍然可以成功执行,这是由于blk对应的block结构体__main_block_impl_0已经在堆上了。不过这还不够—— 5.2 拷贝捕获的变量(__block变量) 在拷贝block结构体的同时,还会将捕获的__block变量,即结构体__Block_byref_i_0,复制到堆上。这个任务落在前面没有讨论的__main_block_desc_0结构体身上: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}   static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}   static struct __main_block_desc_0 {     unsigned long reserved;     unsigned long Block_size;     void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);     void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*); } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0}; 栈上的__main_block_impl_0结构体为src,堆上的__main_block_impl_0结构体为dst,当发生复制动作时,__main_block_copy_0函数会得到调用,将src的成员变量i,即__Block_byref_i_0结构体,也复制到堆上。 5.3 __forwarding指针的作用 当复制动作完成后,栈上和堆上都存在着__main_block_impl_0结构体。如果栈上、堆上的block结构体都对捕获的外部变量进行操作,会如何? 下面是一段示例代码: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 void test() {     __block int i = 1024;     void (^blk)(void) = ^{ i++; printf("%d\n", i); };       pthread_t thread;     int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)[blk copy]);     printf("thread returns : %d\n", ret);       sleep(1);     blk(); }   void *testBlock(void *blk) {     sleep(2);       printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");     DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;     demoBlk();     [demoBlk release];       returnNULL; } 在test()函数中调用pthread_create创建线程时,blk被复制了一份到堆上作为testBlock函数的参数。test()函数中的blk结构体位于栈中,在休眠1s后被执行,对i进行自增动作。testBlock函数在休眠2s后,执行位于堆上的block结构体,这里为demoBlk。 上述代码执行后输出: 1 2 3 4 5 6 Before test() thread returns : 0 1025 After test() testBlock : Begin to exec blk. 1026 可见无论是栈上的还是堆上的block结构体,修改的都是同一个__block变量。 这就是前面提到的__forwarding指针成员的作用了: 起初,栈上的__block变量的成员指针__forwarding指向__block变量本身,即栈上的__Block_byref_i_0结构体。 当__block变量被复制到堆上后,栈上的__block变量的__forwarding成员会指向堆上的那一份拷贝,从而保持一致。 参考资料: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd293603.aspxhttp://www.cprogramming.com/c++11/c++11-lambda-closures.htmlhttp://developer.apple.com/library/ios/#documentation/cocoa/Conceptual/Blocks/Articles/00_Introduction.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Closure_(computer_science)

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