【Golang】图解Function value

幼麟实验室 2020-06-22

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“ 你知道把一个函数赋给一个变量，这个变量是什么结构吗？”

“ 你知道闭包长什么样子吗？”

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函数

函数，在GO语言中属于头等对象，可以被当作参数传递、也可以作为函数返回值、绑定到变量。Go语言称这样的参数、返回值和变量为“Function Value”。
Function Value本质上是一个指针，却不直接指向函数指令入口，而是指向runtime.funcval结构体。

type funcval struct {
    fn uintptr
}

这个结构体从定义上看只有一个地址，这个地址才是函数的指令入口。所以，一个Function Value是以下图所示形式存在的。

图：一个Function Value的存在形式

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闭包

在计算机科学中，闭包（英语：Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是在支持头等函数的编程语言中实现词法绑定的一种技术。闭包在实现上是一个结构体，它存储了一个函数（通常是其入口地址）和一个关联的环境（相当于一个符号查找表）。环境里是若干对符号和值的对应关系，它既要包括约束变量（该函数内部绑定的符号），也要包括自由变量（在函数外部定义但在函数内被引用），有些函数也可能没有自由变量。闭包跟函数最大的不同在于，当捕捉闭包的时候，它的自由变量会在捕捉时被确定，这样即便脱离了捕捉时的上下文，它也能照常运行。
维基百科

所以像下面这个例子：

func create() func(){
    c := 2
    return func(){
        fmt.Println(c)
    }
}
func main(){
    f1 := create()
    f2 := create()
    f1()
    f2()
}

create函数的返回值是一个函数，并且引用了其外层函数定义的局部变量c；而且，即便create函数结束，依然可以通过f1和f2正常执行这个函数并使用定义在create内部的变量c。所以这个返回值符合闭包的定义，而这个自由变量c，通常被称为“捕获变量”。

虽然create函数的返回值函数形成闭包，但是Go语言里并没有把闭包从Function Value中特别区分出来。在Go语言中闭包只是拥有一个或多个捕获变量的Function Value而已。这些捕获变量就是它的捕获列表，就放在对应的funcval结构体的后面。所以上例中，f1和f2的内存布局如下图所示。

图：示例闭包对象的结构

每个闭包对象都是一个Function Value，但是各自持有自己的捕获列表，这也是称闭包为“有状态的函数”的原因。

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调用

通过FunctionValue调用函数时，会把对应的funcval结构体地址存入特定寄存器，例如amd64平台使用的是DX寄存器。
继续使用闭包的示例，通过f1调用闭包函数时，会把f1存储的funcval结构体地址存入寄存器DX，这样在闭包函数的指令中就可以通过这个寄存器存储的地址加上8字节的偏移，就找到f1的捕获变量了。

图：Function Value 的调用

同样的，通过f2调用闭包函数时，会把f2存储的funcval结构体地址存入寄存器，闭包函数执行时找到的就是f2的捕获变量了。

图：Function Value 的调用

如果是没有捕获列表的Function Value，直接忽略这个寄存器即可。通过这样的方式，Go语言实现了对Function Value的统一调用。对Function Value有了大致了解，就可以关注一些细节了。

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静态分配

对于没有捕获列表的Function Value，如果多个变量关联到同一个函数，编译器会做出优化，让它们共用一个funcval结构体。

 func A(i int) {
    i++
    fmt.Println(i)
}  
func B(){
    f1 := A
    f1(1)
}
func C(){
    f2 := A
    f2(1)
}

像上面这种情况，编译阶段会创建一个funcval结构体放到只读数据段，而执行阶段，f1和f2都会使用它。

图：funcval静态分配

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捕获列表

因为捕获列表需要由闭包对象各自持有，所以有捕获列表的Function Value要到执行阶段才会在堆上分配对应的funcval结构体以及捕获列表空间。但是，捕获列表里存什么？直接拷贝捕获变量值吗？才没有那么简单。

闭包捕获的变量要在闭包函数和外层函数中表现一致，如果单纯值拷贝，就无法保证这一点。所以编译器针对捕获变量的不同情况分别做出了不同的处理。

捕获变量除了初始化赋值外在任何地方都没有被修改过，那就可以直接拷贝值，因为它不会再变化。
捕获变量除了初始化赋值外，还被修改过，就要再细分了。

case [01] 捕获局部变量

func create() (fs [2]func()){
    for i := 0; i < 2; i++ {
        fs[i] = func(){
            fmt.Println(i)
        }    
    }
    return
}
func main() {
    fs := create()
    for i := 0; i < len(fs); i++ {
        fs[i]()
    }
}

这个例子中，被捕获的是局部变量i，并且除了初始化赋值外还被修改过，所以局部变量i改为堆分配，栈上只存一个地址。我们把闭包函数指令入口地址记为addrf。

main函数栈帧中，局部变量fs，以及create函数的返回值都是长度为2的Function Value型数组。在create函数栈帧中，局部变量i被闭包捕获，分配到了堆上，在栈上的局部变量空间只存储它在堆上的地址。在for循环执行以前，i等于0。

第一次for循环

在堆上创建一个funcval结构体，指向闭包函数入口，并且在捕获列表中存储捕获变量i的地址，这样就可以和外层函数使用同一个变量了。返回值数组第一个元素存储这一次创建的funcval结构体地址，第一次for循环结束后，i自增1。

第二次for循环

第二次for循环再次创建一个funcval结构体，存储捕获变量i的地址，而funcval结构体本身的地址作为返回值的第二个元素。第二次循环结束，i再次自增1。

在这个示例中，为了让被捕获的局部变量在闭包函数和外层函数中保持一致，本该在栈上分配的局部变量被分配到堆上，这其实也是“变量逃逸”的一种场景。

case [02] 捕获参数

如果是参数被捕获，那么调用者依然从栈上传递参数，但是被调用函数会把它拷贝到堆上一份，然后和闭包函数都使用堆上分配的那一个。

case [03] 捕获返回值

如果是返回值被捕获，那么处理方式就又有些不同了。返回值空间依然由调用者在栈上分配，但是被调用函数（闭包的外层函数）会在堆上也分配一个，并且与闭包函数都使用堆上这一个。但是，在外层函数返回前要把堆上的返回值拷贝到栈上那一个。

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关键点

（1）Go语言里Function Value本质上是指向funcval结构体的指针；
（2）Go语言里闭包只是拥有捕获列表的Function Value；
（3）捕获变量在外层函数与闭包函数中要保持一致。

数据库

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