浅谈闭包

闭包是函数式语言里面很重要的部分，但是网上很多文章却只讲闭包的应用，而鲜有谈及其本质。

理解闭包的关键在于，知道它的出现是为了解决什么问题。

函数式语言有个重要的语言特性：让函数作为 first class 出现在语言中。而当函数作为参数或者返回值传递的时候，其实本质上传递的是闭包。那为什么不直接传递函数本身，而要传递闭包呢，这个“闭包”的本质又是什么呢？想要解决这些问题，就要求我们站在一个语言设计者的角度去看待。这并不难，我们只需要理解一些必要的概念就可以了。

Lexical Scoping 和 Dynamic Scoping

在对函数求值的时候，有时会有一些微妙的情况。当一个函数体内含有一些外部的变量的时候，这种变量我们称之为“自由变量”。但是不同作用域，对“自由变量”的理解却是不相同的。举个简单的例子讲下。

const x = 2
const f = (y) => x * y
{
  const x = 4
  f(3)
}

在函数 f 里面的 x 就是一个"自由变量"，因为 x 不是在 f 里面定义的，所以我们必须在函数的外面找 x 的值。

但是在这段代码里面，有两个地方对 x 进行了绑定。这种情况下应该取哪个值呢？对于不同语言来说，这段代码可能有两种不同的结果。

之所以会出现两种不同结果，就是因为不同语言采取了不同的作用域策略。对于 JavaScript 来说，这段代码的结果是 6，而对于 Emacs Lisp (Emacs 编辑器内置的语言) 来说，这段代码的的结果却是 12。因为 JavaScript 采用了 Lexical scoping，而 Emacs Lisp 采用了 Dynamic scoping。

相比较而言，Lexical scoping 更好一些，因为它是在定义函数的时候确定“自由变量”，是更加符合直觉的。而 Dynamic scoping 则是在函数调用的时候确定“自由变量”。试想下上述代码中 f(3) 如果在距离 f 的定义几百行之外，甚至是在另一个 module，调用者根本不知道 f 引用了一个“自由变量” x，那么很可能会引来很多 bug。

幸运的是，几乎所有现代的函数式语言，都实现了 Lexical scoping，包括 JavaScript。

如何实现 Lexical Scoping

为了实现 Lexical scoping，我们必须把函数做成“闭包”（closure）。闭包只是一种存储结构，为了方便理解，你可以认为它是一个对象，里面存放了两样东西：

1. 函数本身
2. 这个函数涉及到的“自由变量”的定义(或者说，是函数定义时候的上下文)

通过将上面例子不准确地转换一下，就可以“显现”闭包了。

const x = 2
const f_closure = {
  fn: function (y)  { return this._x * y },
  _x: x     // 保存了自由变量 x
}
{
  const x = 4
  f_closure.fn(3)   // 调用的是保存在闭包中的函数
}

这段代码虽然并不准确，但却清晰地描述了“闭包”是如何起作用的。当我们定义函数的时候，我们实际上把这个函数以及它需要的“自由变量”打包起来，放在闭包里面。而当我们调用函数的时候，只需要从闭包取出我们想要的一切元素就可以了。

闭包和面向对象的关系

闭包作为一种存储结构，本质上和对象是一样的。这也就不难解释为什么闭包能够存储状态了。为了更好说明这种情况，举个最常见的闭包的例子。

用闭包来实现一个计数器，是这样子的：

const counterCreator = () => {
  let n = 0
  return {
    update: () => n++
  }
}
const c1 = counterCreator()
const c2 = counterCreator()

c1.update()     // 0
c1.update()     // 1
c2.update()     // 0

而用面向对象的方式来实现，则是这样子的：

class Counter {
  constructor () {
    this.n = 0
  }
  
  update () {
    return this.n++
  }
}
const c1 = new Counter()
const c2 = new Counter()

c1.update()     // 0
c1.update()     // 1
c2.update()     // 0

这两种方式中，counterCreator 相当于面向对象中的类 Counter，本质上是一样的。所以写代码的时候不需要太过纠结用哪种方式，因为它们只是形式上的不同而已。

Reference:

关于 Lexical Scoping 和 Dynamic Scoping 的区别，参考了王垠的博文 怎样写一个解释器 。