C語言中閉包的探究及比較

這是一篇技術分享，並且之前發表在酷殼上，https://coolshell.cn/articles/8309.html，現在發布到自己的博客上。

下文是直接從酷客複製過來的，這裏偷了個懶，沒有再次對格式做很仔細的整理，隻有稍微整理。汗。

這裏主要討論的是C語言的擴展特性block。該特性是Apple為C、C++、Objective-C增加的擴展，讓這些語言可以用類Lambda表達式的語法來創建閉包。前段時間，在對CoreData存取進行封裝時（讓開發人員可以更簡潔快速地寫相關代碼），我對block機製有了進一步了解，覺得可以和C++ 11中的Lambda表達式相互印證，所以最近重新做了下整理，分享給大家。

0. 簡單創建匿名函數

下麵兩段代碼的作用都是創建匿名函數並調用，輸出Hello, World語句。分別使用Objective-C和C++ 11：

^{printf("Hello, World!\n"); } ();

[] { cout << "Hello, World" << endl; } ();

Lambda表達式的一個好處就是讓開發人員可以在需要的時候臨時創建函數，便捷。

在創建閉包（或者說Lambda函數）的語法上，Objective-C采用的是上尖號^，而C++ 11采用的是配對的方括號[]。

不過“匿名函數”一詞是針對程序員而言的，編譯器還是采取了一定的命名規則。

比如下麵Objective-C代碼中的3個block，

#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;
}

會產生對應的3個函數：

__maxBlk_block_func_0
__main_block_func_0
__main_block_func_1

可見函數的命名規則為：__{$Scope}_block_func_{$index}。其中{$Scope}為block所在函數，如果{$Scope}為全局就取block本身的名稱；{$index}表示該block在{$Scope}作用域內出現的順序（第幾個block）。

1. 從語法上看如何捕獲外部變量

在上麵的代碼中，已經看到“匿名函數”可以直接訪問外圍作用域的變量i：

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

當匿名函數和non-local變量結合起來，就形成了閉包（個人看法）。
這一段代碼可以成功輸出i的值。

我們把一樣的邏輯搬到C++上：

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

GCC會輸出：錯誤：‘i’未被捕獲。可見在C++中無法直接捕獲外圍作用域的變量。

以BNF來表示Lambda表達式的上下文無關文法，存在：

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

因此，方括號中還可以加入一些選項：

[]        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 thispointer of the enclosing class

根據文法，對代碼加以修改，使其能夠成功運行：

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. 從語法上看如何修改外部變量

上麵代碼中使用了符號=，通過拷貝方式捕獲了外部變量i。
但是如果嚐試在Lambda表達式中修改變量i：

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

會得到錯誤：

testLambda.cpp: 在 lambda 函數中:
testLambda.cpp:9:24: 錯誤：向隻讀變量‘i’賦值

可見通過拷貝方式捕獲的外部變量是隻讀的。Python中也有一個類似的經典case，個人覺得有相通之處：

x=10
def foo():
    print(x)
    x+=1
foo()

這段代碼會拋出UnboundLocalError錯誤，原因可以參見FAQ。

在C++的閉包語法中，如果需要對外部變量的寫權限，可以使用符號&，通過引用方式捕獲：

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

反過來，將修改外部變量的邏輯放到Objective-C代碼中：

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

會得到如下錯誤：

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

可見在block的語法中，默認捕獲的外部變量也是隻讀的，如果要修改外部變量，需要使用__block類型指示符進行修飾。
為什麼呢？請繼續往下看：）

3. 從實現上看如何捕獲外部變量

閉包對於編程語言來說是一種語法糖，包括Block和Lambda，是為了方便程序員開發而引入的。因此，對Block特性的支持會落地在編譯器前端，中間代碼將會是C語言。

先看如下代碼會產生怎樣的中間代碼。

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
    blk();
 
    return 0;
}

首先是block結構體的實現：

#ifndef BLOCK_IMPL
#define BLOCK_IMPL
struct__block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
// 省略部分代碼
 
#endif

第一個成員isa指針用來表示該結構體的類型，使其仍然處於Cocoa的對象體係中，類似Python對象係統中的PyObject。

第二、三個成員是標誌位和保留位。

第四個成員是對應的“匿名函數”，在這個例子中對應函數：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    inti = __cself->i; // bound by copy
    printf("%d\n", i);
}

函數__main_block_func_0引入了參數__cself，為struct __main_block_impl_0 *類型，從參數名稱就可以看出它的功能類似於C++中的this指針或者Objective-C的self。
而struct __main_block_impl_0的結構如下：

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;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

從__main_block_impl_0這個名稱可以看出該結構體是為main函數中第零個block服務的，即示例代碼中的blk；也可以猜到不同場景下的block對應的結構體不同，但本質上第一個成員一定是struct __block_impl impl，因為這個成員是block實現的基石。

結構體__main_block_impl_0又引入了一個新的結構體，也是中間代碼裏最後一個結構體：

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，這個描述性質的結構體包含的價值信息就是struct __main_block_impl_0的大小。

最後剩下main函數對應的中間代碼：

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;
}

從main函數對應的中間代碼可以看出執行block的本質就是以block結構體自身作為__cself參數，這裏對應__main_block_impl_0，通過結構體成員FuncPtr函數指針調用對應的函數，這裏對應__main_block_func_0。

其中，局部變量i是以值傳遞的方式拷貝一份，作為__main_block_impl_0的構造函數的參數，並以初始化列表的形式賦值給其成員變量i。所以，基於這樣的實現，不允許直接修改外部變量是合理的——因為按值傳遞根本改不到外部變量。

4. 從實現上看如何修改外部變量（__block類型指示符）

如果想要修改外部變量，則需要用__block來修飾：

int main(int argc, const char * argv[])
{
    __block int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); };
    blk();
 
    return 0;
}

此時再看中間代碼，發現多了一個結構體：

struct __Block_byref_i_0 {
    void *__isa;
    __Block_byref_i_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    int i;
};

於是，用__block修飾的int變量i化身為__Block_byref_i_0結構體的最後一個成員變量。

代碼中blk對應的結構體也發生了變化：

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, intflags=0) : i(_i->__forwarding) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

__main_block_impl_0發生的變化就是int類型的成員變量i換成了__Block_byref_i_0 *類型，從名稱可以看出現在要通過引用方式來捕獲了。

對應的函數也不同了：

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; // 看起來很厲害的樣子
    printf("%d\n", (i->__forwarding->i));
}

main函數也有了變動：

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;
}

前兩行代碼創建了兩個關鍵結構體，特地高亮顯示。

這裏沒有看__main_block_desc_0發生的變化，放到後麵討論。

使用__block類型指示符的本質就是引入了__Block_byref_{$var_name}_{$index}結構體，而被__block關鍵字修飾的變量就被放到這個結構體中。另外，block結構體通過引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}指針類型的成員，得以間接訪問到外部變量。

通過這樣的設計，我們就可以修改外部作用域的變量了，再一次應了那句話：

There is no problem in computer science that can’t be solved by adding another level of indirection.

指針是我們最經常使用的間接手段，而這裏的本質也是通過指針來間接訪問，為什麼要特地引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}結構體，而不是直接使用int *來訪問外部變量i呢？

另外，__Block_byref_{$var_name}_{$index}結構體中的__forwarding指針成員有何作用？

請繼續往下看：）

5. 背後的內存管理動作

在Objective-C中，block特性的引入是為了讓程序員可以更簡潔優雅地編寫並發代碼（配合看起來像敏感詞的GCD）。比較常見的就是將block作為函數參數傳遞，以供後續回調執行。

先看一段完整的、可執行的代碼：

#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_tthread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void*)blk);
    printf("thread returns : %d\n", ret);
 
    sleep(3);// 這裏睡眠1s的話，程序會崩潰
}
 
void *testBlock(void *blk)
{
    sleep(2);
 
    printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");
    DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;
    demoBlk();
 
    returnNULL;
}

在這個示例中，位於test()函數的block類型的變量blk就作為函數參數傳遞給testBlock。

正常情況下，這段代碼可以成功運行，輸出：

Before test()
threadreturns : 0
testBlock : Begin to exec blk.
2048
After test()

如果按照注釋，將test()函數最後一行改為休眠1s的話，正常情況下程序會在輸出如下結果後崩潰：

Before test()
threadreturns : 0
After test()
testBlock : Begin to exec blk.

從輸出可以看出，當要執行blk的時候，test()已經執行完畢回到main函數中，對應的函數棧也已經展開，此時棧上的變量已經不存在了，繼續訪問導致崩潰——這也是不用int *直接訪問外部變量i的原因。

5.1 拷貝block結構體

上文提到block結構體__block_impl的第一個成員是isa指針，使其成為NSObject的子類，所以我們可以通過相應的內存管理機製將其拷貝到堆上：

void test()
{
    __block int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ i = 2048; printf("%d\n", i); };
 
    pthread_tthread;
    intret = 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];
 
    return NULL;
}

再次執行，得到輸出：

Before test()
threadreturns : 0
After test()
testBlock : Begin to exec blk.
2048

可以看出，在test()函數棧展開後，demoBlk仍然可以成功執行，這是由於blk對應的block結構體__main_block_impl_0已經在堆上了。不過這還不夠——

5.2 拷貝捕獲的變量（__block變量）

在拷貝block結構體的同時，還會將捕獲的__block變量，即結構體__Block_byref_i_0，複製到堆上。這個任務落在前麵沒有討論的__main_block_desc_0結構體身上：

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 {
    unsignedlongreserved;
    unsignedlongBlock_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};

棧上的__main_block_impl_0結構體為src，堆上的__main_block_impl_0結構體為dst，當發生複製動作時，__main_block_copy_0函數會得到調用，將src的成員變量i，即__Block_byref_i_0結構體，也複製到堆上。

5.3 __forwarding指針的作用

當複製動作完成後，棧上和堆上都存在著__main_block_impl_0結構體。如果棧上、堆上的block結構體都對捕獲的外部變量進行操作，會如何？

下麵是一段示例代碼：

void test()
{
    __block int i = 1024;
    void(^blk)(void) = ^{ i++; printf("%d\n", i); };
 
    pthread_tthread;
    intret = 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()函數中調用pthread_create創建線程時，blk被複製了一份到堆上作為testBlock函數的參數。

test()函數中的blk結構體位於棧中，在休眠1s後被執行，對i進行自增動作。
testBlock函數在休眠2s後，執行位於堆上的block結構體，這裏為demoBlk。

上述代碼執行後輸出：

Beforetest()
thread returns : 0
1025
Aftertest()
testBlock : Begin to execblk.
1026

可見無論是棧上的還是堆上的block結構體，修改的都是同一個__block變量。

這就是前麵提到的__forwarding指針成員的作用了：

起初，棧上的__block變量的成員指針__forwarding指向__block變量本身，即棧上的__Block_byref_i_0結構體。

當__block變量被複製到堆上後，棧上的__block變量的__forwarding成員會指向堆上的那一份拷貝，從而保持一致。

參考資料：

最後更新：2017-04-02 15:15:05

C語言中閉包的探究及比較

0. 簡單創建匿名函數

1. 從語法上看如何捕獲外部變量

2. 從語法上看如何修改外部變量

3. 從實現上看如何捕獲外部變量

4. 從實現上看如何修改外部變量（__block類型指示符）

5. 背後的內存管理動作

5.1 拷貝block結構體

5.2 拷貝捕獲的變量（__block變量）

5.3 __forwarding指針的作用

參考資料：

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