Golang：“闭包（closure）”到底包了什么？

本文讲介绍以下几个内容：

1.  引入用GoLang语言写的几个case；
2.  介绍什么是闭包；
3.  介绍什么是闭包的延迟绑定；
4.  从闭包的延迟绑定讲到GoLang的Go Routine的延迟绑定问题；

1. 几个有趣的Case

开门见山，首先请各位看官们先看下面foo1()到foo7()一共7个函数，然后回答后面的问题。（一下子丢出7个函数，请见谅。不过，每个函数都非常简短，而本文接下来将围绕这7个函数展开，因此，请各位看官老爷们耐心且看看题，活动活动脑细胞~）

•  case 1：

func foo1(x *int) func() {
 return func() {
   *x = *x + 1
   fmt.Printf("foo1 val = %dn", *x)
 }
}

• case 2：

func foo2(x int) func() {
 return func() {
   x = x + 1
   fmt.Printf("foo2 val = %dn", x)
 }
}

• case 3：

func foo3() {
 values := []int{1, 2, 3, 5}
 for _, val := range values {
   fmt.Printf("foo3 val = %dn", val)
 }
}

• case 4：

func show(v interface{}) {
 fmt.Printf("foo4 val = %vn", v)
}
func foo4() {
 values := []int{1, 2, 3, 5}
 for _, val := range values {
   go show(val)
 }
}

• case 5：

func foo5() {
 values := []int{1, 2, 3, 5}
 for _, val := range values {
   go func() {
     fmt.Printf("foo5 val = %vn", val)
   }()
 }
}

• case 6：

var foo6Chan = make(chan int, 10)
func foo6() {
 for val := range foo6Chan {
   go func() {
     fmt.Printf("foo6 val = %dn", val)
   }()
 }
}

• case 7：

func foo7(x int) []func() {
 var fs []func()
 values := []int{1, 2, 3, 5}
 for _, val := range values {
   fs = append(fs, func() {
     fmt.Printf("foo7 val = %dn", x+val)
   })
 }
 return fs
}

•  Q1：
•  第一组实验：假设现在有变量x=133，并创建变量f1和f2分别为foo1(&x)和foo2(x)的返回值，请问多次调用f1()和f2()会打印什么？
•  第二组实验：重新赋值变量x=233，请问此时多次调用f1()和f2()会打印什么？
•  第三组实验：如果直接调用foo1(&x)()和foo2(x)()多次，请问每次都会打印什么？
•  Q2：
•  请问分别调用函数foo3()，foo4()和foo5()，分别会打印什么？
•  Q3：
•  第一组实验：如果“几乎同时”往channelfoo6Chan里面塞入一组数据”1,2,3,5″，foo6会打印什么？
•  第二组实验：如果以间隔纳秒（10^-9秒）的时间往channel里面塞入一组数据，此时foo6又会打印什么？
•  第三组实验：如果是微秒（10^-6秒）呢？如果是毫秒（10^-3秒）呢？如果是秒呢？
•  Q4：
•  请问如果创建变量f7s=foo7(11)，f7s是一个函数集合，遍历f7s会打印什么？

接下来，我们逐一来看这些问题和对应的foo函数。

2. case1~2：值传递（by value） vs. 引用传递（by reference）

子标题好难起 >0<…

看到case1和case2的两组函数foo1()和foo2()，相信各位看官就知道，其中一个知识点就是值传递和引用传递。

其实呢，Go是没有引用传递的，即使是foo1()在参数上加了*，内部实现机制仍旧是值传递，只不过传递的是指针的数值。但是为了称呼方便，下文会成为“引用传递”（为了区分正确的引用传递，这里特意加了引号）。

如下图所示，我们的目的是传递X变量，于是我们创建了一个传参地址（临时地址变量），它存放了X变量的地址值，调用函数的时候给它这个传参地址，函数呢，则会再创建一个入参地址，是传参地址的一份拷贝。函数拿到了这个地址值，可以通过寻址拿到这个X变量，此时函数如果直接修改X变量可以认为是“本地修改”或者“永久修改”了这个变量的数值。

「举个生活中的例子，比如一个叫做“函数”的人想寻找一个叫做“X”的人，函数跑过来问知道X的我，我拿出地址簿，给他出示了X这个人的家庭地址，函数记性不太好，所以拿了一本本子把X的地址抄在了他自己的本子上。」

这个例子中，我的那个记着X的家庭地址的地址簿，就是传参地址；函数抄录了X地址的本子，就是入参地址；X的家庭地址，就对应了X变量的地址值。（哎，为什么讲的这么细节了？）

Golang的“引用传递”

话题似乎有点扯远了，拉回来，我们再来看看foo1()和foo2()。

foo1()和foo2()的区别确实在于值传递和引用传递，但是这个并不是本文介绍的中心。本文要介绍的已经在标题上写明了：闭包（closure）。

闭包（closure）

什么是闭包呢？摘用Wikipedia上的一句定义：

•    a closure is a record storing a function together with an environment.
•    闭包是由函数和与其相关的引用环境组合而成的实体 。

因此闭包的核心就是：函数和环境。其实这里就已经可以回答本文题目的问题：闭包究竟包了什么？答案是：函数和环境。但是相信部分看官们到这里依然不清楚：什么函数？什么环境？

函数，指的是在闭包实际实现的时候，往往通过调用一个外部函数返回其内部函数来实现的。内部函数可能是内部实名函数、匿名函数或者一段lambda表达式。用户得到一个闭包，也等同于得到了这个内部函数，每次执行这个闭包就等同于执行内部函数。

环境，Wikipedia上说是与其（函数）相关的引用环境，可以说解释地很精准了。

具体地说，在实际中引用环境是指外部函数的环境，闭包保存/记录了它产生时的外部函数的所有环境。但是这段话对于尚未理解闭包的同学来说依旧是不友好的，听完还是懵懂的。这里尝试做个更实用性的解释：

•  如果外部函数的所有变量可见性都是local的，即生命周期在外部函数结束时也结束的，那么闭包的环境也是封闭的。
•  反之，那么闭包其实不再封闭，全局可见的变量的修改，也会对闭包内的这个变量造成影响。

跳回foo1()和foo2()的例子，正好来解释闭包的函数和环境。

func foo1(x *int) func() {
   return func() {
       *x = *x + 1
       fmt.Printf("foo1 val = %dn", *x)
   }
}
func foo2(x int) func() {
   return func() {
       x = x + 1
       fmt.Printf("foo1 val = %dn", x)
   }
}
// Q1第一组实验
x := 133
f1 := foo1(&x)
f2 := foo2(x)
f1()  
f2()
f1()
f2()
// Q1第二组
x = 233
f1()
f2()
f1()
f2()
// Q1第三组
foo1(&x)()
foo2(x)()
foo1(&x)()
foo2(x)()

定义了x=133之后，我们获取得到了f1=foo1(&x)和f2=foo2(x)。这里f1f2就是闭包的函数，也就是foo1()foo2()的内部匿名函数；而闭包的环境即外部函数foo1()foo2()的变量x（因为内部匿名函数引用到的相关变量只有x，因此这里简化为变量x）。

闭包的函数做的事情归纳为：1). 将环境的变量x自增1；2). 打印环境变量x。

闭包的环境则是其外部函数获取到的变量x。

因此Q1第一组实验的答案为：

f1() // foo1 val = 134
f2() // foo2 val = 134
f1() // foo1 val = 135
f2() // foo2 val = 135

这是因为闭包f1f2都保存了x=133时的整个环境，每次调用闭包f1f2都会执行一次自增+打印的内部匿名函数。因此第一次输出都是(133+1=)134，第二次输出都是(134+1=)135。

那么Q1第二组实验的答案呢？

f1() // foo1 val = 234
f2() // foo2 val = 136
f1() // foo1 val = 235
f2() // foo2 val = 137

有趣的事情发生了！f1的值居然发生了显著性的变化！通过这组实验，能够更好地解释其（函数）相关的引用环境其实就是产生这个闭包的时候的外部函数的环境，因此变量x的可见性和作用域也与外部函数相同，又因为foo1是“引用传递”，变量x的作用域不局限在foo1()中，因此当x发生变化的时候，闭包f1内部也变化了。这个也正好是”反之，那么闭包其实不再封闭，全局可见的变量的修改，也会对闭包内的这个变量造成影响”的证明。

Q1的第三组实验的答案：

foo1(&x)() // foo1 val = 236
foo2(x)() // foo2 val = 237
foo1(&x)() // foo1 val = 237
foo2(x)() // foo2 val = 238
foo2(x)() // foo2 val = 238

因为foo1()返回的闭包都会修改变量x的数值，因此调用foo1()()之后，变量x必然增加1。而foo2()返回的闭包仅仅修改其内部环境的变量x而对调用外部的变量x不影响，且每次调用foo2()返回的闭包是独立的，和其他调用foo2()的闭包不相关，因此最后两次的调用，打印的数值都是相同的；第一次调用和第二次调用foo2()发现打印出来的数值增加了1，是因为两次调用之间传入的x的数值分别是236和237，而不是说第二次在第一次基础上增加了1，这点需要补充说明。

3. case7：闭包的延迟绑定

hhh，是不是以为我会接着讲case3，居然先提到了case7，意不意外惊不惊喜！

废话不多说，看官们来瞅瞅下面调用f7()的时候分别会打印什么？

func foo7(x int) []func() {
   var fs []func()
   values := []int{1, 2, 3, 5}
   for _, val := range values {
       fs = append(fs, func() {
           fmt.Printf("foo7 val = %dn", x+val)
       })
   }
   return fs
}
// Q4实验：
f7s := foo7(11)
for _, f7 := range f7s {
   f7()
}

答案是：

foo7 val = 16
foo7 val = 16
foo7 val = 16
foo7 val = 16

是的，你没有看错，会打印4行，且都是16！是不是很惊喜！

相信已经有很多同学在网上看到过类似的case，并且也早已知道结果了，不清楚的同学们现在也看到答案了。嗯，这就是大名鼎鼎的闭包延迟绑定问题。网上的解释其实有很多了，这里尝试用之前对于闭包的环境的定义来解释这个现象：

“

闭包是一段函数和相关的引用环境的实体。case7的问题中，函数是打印变量val的值，引用环境是变量val。仅仅是这样的话，遍历到val=1的时候，记录的不应该是val=1的环境吗？

上文在闭包解释最后，还有一句话：闭包保存/记录了它产生时的外部函数的所有环境。如同普通变量/函数的定义和实际赋值/调用或者说执行，是两个阶段。闭包也是一样，for-loop内部仅仅是声明了一个闭包，foo7()返回的也仅仅是一段闭包的函数定义，只有在外部执行了f7()时才真正执行了闭包，此时才闭包内部的变量才会进行赋值的操作。哎，如果这么说的话，岂不是应该抛出异常吗？因为val是一个比foo7()生命周期更短的变量啊？

这就是闭包的神奇之处，它会保存相关引用的环境，也就是说，val这个变量在闭包内的生命周期得到了保证。因此在执行这个闭包的时候，会去外部环境寻找最新的数值！你是不是不相信？来来来，我们马上写个临时的case执行下分分钟就明白了：

•  临时的case：

func foo0() func() {
   x := 1
   f := func() {
       fmt.Printf("foo0 val = %dn", x)
   }
   x = 11
   return f
}
foo0()() // 猜猜我会输出什么？

既然我说会在执行的时候去外部环境寻找最新的数值，那x的最新数值就是11呀，果然，最后输出的就是11。

以上就是我对于闭包的延迟绑定的通俗版本解释。:)

IV. case3~6：Go Routine的延迟绑定

case3、case4和case5不是闭包，case3只是遍历了内部的slice并且打印，case4是在遍历时通过协程调用了打印函数打印，case5也是在遍历slice时调用了内部匿名函数打印。

Q2的case3问题的答案先丢出来：

func foo3() {
   values := []int{1, 2, 3, 5}
   for _, val := range values {
       fmt.Printf("foo3 val = %dn", val)
   }
}
foo3()
//foo3 val = 1a
//foo3 val = 2
//foo3 val = 3
//foo3 val = 5

中规中矩，遍历输出slice的内容：1，2，3，5。

Q2的case4问题的答案再丢出来：

func show(v interface{}) {
   fmt.Printf("foo4 val = %vn", v)
}
func foo4() {
   values := []int{1, 2, 3, 5}
   for _, val := range values {
       go show(val)
   }
}
foo4()
//foo3 val = 2
//foo3 val = 3
//foo3 val = 1
//foo3 val = 5

嗯，因为Go Routine的执行顺序是随机并行的，因此执行多次foo4()输出的顺序不一行相同，但是一定打印了“1，2，3，5”各个元素。

最后是Q2的case5问题的答案：

func foo5() {
   values := []int{1, 2, 3, 5}
   for _, val := range values {
       go func() {
           fmt.Printf("foo5 val = %vn", val)
       }()
   }
}
foo5()
//foo3 val = 5
//foo3 val = 5
//foo3 val = 5
//foo3 val = 5

居然都打印了5，惊不惊喜，意不意外？！相信看过子标题的你，一定不意外了（捂脸）。是的，接下来就要讲讲Go Routine的延迟绑定：

其实这个问题的本质同闭包的延迟绑定，或者说，这段匿名函数的对象就是闭包。在我们调用go func() { xxx }()的时候，只要没有真正开始执行这段代码，那它还只是一段函数声明。而在这段匿名函数被执行的时候，才是内部变量寻找真正赋值的时候。

在case5中，for-loop的遍历几乎是“瞬时”完成的，4个Go Routine真正被执行在其后。矛盾是不是产生了？这个时候for-loop结束了呀，val生命周期早已结束了，程序应该报错才对呀？

回忆上一章，是不是一个相同的情境？是的，这个匿名函数可不就是一个闭包吗？一切就解释通了：闭包真正被执行的时候，for-loop结束了，但是val的生命周期在闭包内部被延长了且被赋值到最新的数值5。

不知道各位看官是否好奇，既然说Go Routine执行的时候比for-loop慢，那如果我在遍历的时候增加sleep机制呢？于是设计了Q3实验：

var foo6Chan = make(chan int, 10)
func foo6() {
   for val := range foo6Chan {
       go func() {
           fmt.Printf("foo6 val = %dn", val)
       }()
   }
}
// Q3第一组实验
go foo6()
foo6Chan <- 1
foo6Chan <- 2
foo6Chan <- 3
foo6Chan <- 5
// Q3第二组实验
foo6Chan <- 11
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Nanosecond)
foo6Chan <- 12
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Nanosecond)
foo6Chan <- 13
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Nanosecond)
foo6Chan <- 15
// Q3第三组实验
// 微秒
foo6Chan <- 21
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Microsecond)
foo6Chan <- 22
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Microsecond)
foo6Chan <- 23
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Microsecond)
foo6Chan <- 25
time.Sleep(time.Duration(10) * time.Second)
// 毫秒
foo6Chan <- 31
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Millisecond)
foo6Chan <- 32
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Millisecond)
foo6Chan <- 33
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Millisecond)
foo6Chan <- 35
time.Sleep(time.Duration(10) * time.Second)
// 秒
foo6Chan <- 41
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)
foo6Chan <- 42
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)
foo6Chan <- 43
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)
foo6Chan <- 45
time.Sleep(time.Duration(10) * time.Second)
// 实验完毕，最后记得关闭channel
close(foo6Chan)

尝试执行了多次，第一组答案如下：

foo6 val = 5/3
foo6 val = 5
foo6 val = 5
foo6 val = 5

绝大部分时候执行出来都是5。

第二组答案如下：

foo6 val = 15/13/11/12
foo6 val = 15/13
foo6 val = 15
foo6 val = 15

绝大部分时候执行得到的都是15。

第三组答案如下：

// 微秒
foo6 val = 23/21
foo6 val = 23/22
foo6 val = 25/23
foo6 val = 25
// 毫秒
foo6 val = 31
foo6 val = 32
foo6 val = 33
foo6 val = 35
// 秒
foo6 val = 41
foo6 val = 42
foo6 val = 43
foo6 val = 45

毫秒和秒的两组非常确定，顺序输出。但是微妙就不一定了，有时候是顺序输出，大部分时候是随机输出如“22，22，23，25”或者“21，22，25，25”之类的。

可见，Go Routine的匿名函数从定义到执行，耗时时间在微妙上下。于是又增加了一个临时的case测试了其真正的耗时大约是多少。

•  又一个临时的case：

func foo8() {
   for i := 1; i < 10; i++ {
       curTime := time.Now().UnixNano()
       go func(t1 int64) {
           t2 := time.Now().UnixNano()
           fmt.Printf("foo8 ts = %d us n", t2-t1)
       }(curTime)
   }
}
foo8()

执行下来发现耗时在5微秒~60微秒之间不等。

但是，以上的实验数据都是从我的iMac本子上得到的，该本子的CPU是i7-7700K 4.2GHz；我又放在笔记本上（CPU为i5-8250U 1.6GHz 1.8GHz）运行了下，发现居然耗时是0微秒！起初我怀疑是时间精度的问题，于是把t1和t2时间都打印出来，精度是可以达到纳秒的。抱着仍旧不信的想法，重新运行了第三组实验，每一个都是顺序输出的！

好吧，回头再说我的iMac的问题。现在只需要记住一点：Go Routine的匿名函数的延迟绑定本质就是闭包，实际生成中注意下这种写法~

写在后面

最后，闭包是个常见的玩意儿，但是实际代码中不太建议使用，一不小心写了个内存泄漏查都查不到。特别是不要为了炫技故意写个闭包，实在没有必要。