Dart 進階 | 深入理解 Function & Closure

Vadaski發表於2020-05-06
DartFunction

前言

在最初設計 Dart 的時候，參考了 JavaScript 許多特性。無論是在非同步處理，還是在語法上，都能看到它的影子。熟悉 Dart 的同學應該明白，在 Dart 中一切皆為物件。不僅 int、bool 是通過 core library 提供的類建立出的物件，連函式也被看作是物件。（本文中可能會出現 函式 / 方法 二者僅叫法不同）而本文將帶你深入理解 Dart 的函式 （Function）&閉包（Closure）以及它們的用法。

什麼是 Closure（閉包）

如果你從未聽說過閉包，沒關係，本節將會從零開始引入閉包這個概念。在正式介紹閉包之前，我們需要先來了解一下 Lexical scoping。

詞法作用域 Lexical scoping

也許你對這個詞很陌生，但是它卻是最熟悉的陌生人。我們先來看下面一段程式碼。

void main() {
  var a = 0;
  var a = 1; //  Error：The name 'a' is already defined
}
複製程式碼

你肯定已經發現了，我們在該段程式碼中犯了一個明顯的錯誤。那就是定義了兩次變數 a，而編譯器也會提示我們，a 這個變數名已經被定義了。

這是由於，我們的變數都有它的 詞法作用域 ，在同一個詞法作用域中僅允許存在一個名稱為 a 的變數，且在編譯期就能夠提示語法錯誤。

這很好理解，如果一個 Lexical scoping 中存在兩個同名變數 a，那麼我們訪問的時候從語法上就無法區分到底你是想要訪問哪一個 a 了。

上述程式碼中，我們在 main 函式的詞法作用域中定義了兩次 a

僅需稍作修改

void main() {
 var a = 1; 
 print(a); // => 1
}

var a = 0;
複製程式碼

我們就能夠正常列印出 a 的值為 1。 簡單的解釋，var a = 0; 是該 dart 檔案的 Lexical scoping 中定義的變數，而 var a = 1; 是在 main 函式的 Lexical scoping 中定義的變數，二者不是一個空間，所以不會產生衝突。

Function is Object

首先，要證明方法（函式）是一個物件這很簡單。

print( (){} is Object ); // true
複製程式碼

(){} 為一個匿名函式，我們可以看到輸出為 true。

知道了 Function is Object 還不夠，我們應該如何看待它呢。

void main() {
  var name = 'Vadaski';
  
  var printName = (){
    print(name);
  };
}
複製程式碼

可以很清楚的看到，我們可以在 main 函式內定義了一個新的方法，而且還能夠將這個方法賦值給一個變數 printName。

但是如果你執行這段程式碼，你將看不到任何輸出，這是為什麼呢。

實際上我們在這裡定義了 printName 之後，並沒有真正的去執行它。我們知道，要執行一個方法，需要使用 XXX() 才能真正執行。

void main() {
  var name = 'Vadaski';
  
  var printName = (){
    print(name);
  };
  
  printName(); // Vadaski
}
複製程式碼

上面這個例子非常常見，在 printName 內部訪問到了外部定義的變數 name。也就是說，一個 Lexical scoping 內部 是能夠訪問到 外部 Lexical scoping 中定義的變數的。

Function + Lexical scoping

內部訪問外部定義的變數是 ok 的，很容易就能夠想到，外部是否可以訪問內部定義的變數呢。

如果是正常訪問的話，就像下面這樣。

void main() {
  
  var printName = (){
    var name = 'Vadaski';
  };
  printName();
  
  print(name); // Error：Undefined name 'name'
}
複製程式碼

這裡出現了未定義該變數的錯誤警告，可以看出 printName 中定義的變數，對於 main 函式中的變數是不可見的。Dart 和 JavaScript 一樣具有鏈式作用域，也就是說，子作用域可以訪問父（甚至是祖先）作用域中的變數，而反過來不行。

訪問規則

從上面的例子我們可以看出，Lexical scoping 實際上是以鏈式存在的。一個 scope 中可以開一個新的 scope，而不同 scope 中是可以允許重名變數的。那麼我們在某個 scope 中訪問一個變數，究竟是基於什麼規則來訪問變數的呢。

void main() {
  var a = 1;
  firstScope(){
    var a = 2;
    print('$a in firstScope'); //2 in firstScope
  }
  print('$a in mainScope'); //1 in mainScope
  firstScope();
}
複製程式碼

在上面這個例子中我們可以看到，在 main 和 firstScope 中都定義了變數 a。我們在 firstScope 中 print，輸出了 2 in firstScope 而在 main 中 print 則會輸出 1 in mainScope 。

我們已經可以總結出規律了：近者優先。

如果你在某個 scope 中訪問一個變數，它首先會看當前 scope 中是否已經定義該變數，如果已經定義，那麼就使用該變數。如果當前 scope 沒找到該變數，那麼它就會在它的上一層 scope 中尋找，以此類推，直到最初的 scope。如果所有 scope 鏈上都不存在該變數，則會提示 Error：Undefined name 'name'。

Tip: Dart scope 中的變數是靜態確定的，如何理解呢？

void main() {
  print(a); // Local variable 'a' can't be referenced before it is declared
  var a;
}
var a = 0;
複製程式碼

我們可以看到，雖然在 main 的父 scope 中存在變數 a，且已經賦值，但是我們在 main 的 scope 中也定義了變數 a。因為是靜態確定的，所以在 print 的時候會優先使用當前 scope 中定義的 a，而這時候 a 的定義在 print 之後，同樣也會導致編譯器錯誤：Local variable 'a' can't be referenced before it is declared。

Closure 的定義

有了上面這些知識，我們現在可以來看看 Closure 的定義了。

A closure is a function object that has access to variables in its lexical scope, even when the function is used outside of its original scope.

閉包 即一個函式物件，即使函式物件的呼叫在它原始作用域之外，依然能夠訪問在它詞法作用域內的變數。

你可能對這段話還是很難一下就理解到它到底在說什麼。如果簡要概括 Closure 的話，它實際上就是有狀態的函式。

函式狀態

無狀態函式

通常我們執行一個函式，它都是無狀態的。你可能會產生疑問，啥？狀態？？我們還是看一個例子。

void main() {
  printNumber(); // 10
  printNumber(); // 10
}

void printNumber(){
  int num = 0;
  for(int i = 0; i < 10; i++){
    num++;
  }
  print(num);
}
複製程式碼

上面的程式碼很好預測，它將會輸出兩次 10，我們多次呼叫一個函式的時候，它還是會得到一樣的輸出。

但是，當我們理解 Function is Object 之後，我們應該如何從 Object 的角度來看待函式的執行呢。

顯然 printNumber(); 建立了一個 Function 物件，但是我們沒有將它賦值給任何變數，下次一個 printNumber(); 實際上建立了一個新的 Function，兩個物件都執行了一遍方法體，所以得到了相同的輸出。

有狀態函式

無狀態函式很好理解，我們現在可以來看看有狀態的函式了。

void main() {
  var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    return (){
      for(int i = 0; i < 10; i++){
        num++;
      }
      print(num);
    };
  };
  
  var printNumber = numberPrinter();
  printNumber(); // 10
  printNumber(); // 20
}
複製程式碼

上面這段程式碼同樣執行了兩次 printNumber();，然而我們卻得到了不同的輸出 10，20。好像有點 狀態 的味道了呢。

但看上去似乎還是有些難以理解，讓我們一層一層來看。

var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    /// execute function
  };
複製程式碼

首先我們定義了一個 Function 物件，然後把交給 numberPrinter 管理。在建立出來的這個 Function 的 Lexical scoping 中定義了一個 num 變數，並賦值為 0。

注意：這時候該方法並不會立刻執行，而是等呼叫了 numberPrinter() 的時候才執行。所以這時候 num 是不存在的。

return (){
    for(int i = 0; i < 10; i++){
        num++;
    }
    print(num);
};
複製程式碼

然後返回了一個 Function。這個 Function 能夠拿到其父級 scope 中的 num ，並讓其增加 10，然後列印 num 的值。

var printNumber = numberPrinter();
複製程式碼

然後我們通過呼叫 numberPrinter()，建立了該 Function 物件，這就是一個 Closure！ 這個物件真正執行我們剛才定義的 numberPrinter，並且在它的內部的 scope 中就定義了一個 int 型別的 num。然後返回了一個方法給 printNumber。

實際上返回的 匿名 Function 又是另一個閉包了。

然後我們執行第一次 printNumber()，這時候將會獲得閉包儲存的 num 變數，執行下面的內容。

// num: 0
for(int i = 0; i < 10; i++){
    num++; 
}
print(num);
複製程式碼

最開始 printNumber 的 scope 中儲存的 num 為 0，所以經過 10 次自增，num 的值為 10，最後 print 列印了 10。

而第二次執行 printNumber() 我們使用的還是同一個 numberPrinter 物件，這個物件在第一次執行完畢後，其 num 已經為 10，所以第二次執行後，是從 10 開始自增，那麼最後 print 的結果自然就是 20 了。

在整個呼叫過程中，printNumber 作為一個 closure，它儲存了內部 num 的狀態，只要 printNumber 不被回收，那麼其內部的所有物件都不會被 GC 掉。

所以我們也需要注意到閉包可能會造成記憶體洩漏，或帶來記憶體壓力問題。

到底啥是閉包

再回過頭來理解一下，我們對於閉包的定義就應該好理解了。

閉包 即一個函式物件，即使函式物件的呼叫在它原始作用域之外，依然能夠訪問在它詞法作用域內的變數。

在剛才的例子中，我們的 num 是在 numberPrinter 內部定義的，可是我們可以通過返回的 Function 在外部訪問到了這個變數。而我們的 printNumber 則一直儲存了 num。

分階段看閉包

在我們使用閉包的時候，我將它看為三個階段。

定義階段

這個階段，我們定義了 Function 作為閉包，但是卻沒有真正執行它。

void main() {
  var numberPrinter = (){
    int num = 0;
    return (){
      print(num);
    };
  };
複製程式碼

這時候，由於我們只是定義了閉包，而沒有執行，所以 num 物件是不存在的。

建立階段

var printNumber = numberPrinter();
複製程式碼

這時候，我們真正執行了 nu mberPrinter 閉包的內容，並返回執行結果，num 被建立出來。這時候，只要 printNumber 不被 GC，那麼 num 也會一直存在。

訪問階段

printNumber(); 
printNumber();
複製程式碼

然後我們可以通過某種方式訪問 numberPrinter 閉包中的內容。(本例中間接訪問了 num)

以上三個階段僅方便理解，不是嚴謹描述。

Closure 的應用

如果僅是理解概念，那麼我們看了可能也就忘了。來點實在的，到底 Closure 可以怎麼用？

在傳遞物件的位置執行方法

比如說我們有一個 Text Widget 的內容有些問題，直接給我們 show 了一個 Error Widget。這時候，我想列印一下這個內容看看到底發生了啥，你可以這樣做。

Text((){
    print(data);
    return data;
}())
複製程式碼

是不是很神奇，竟然還有這種操作。

Tip 立即執行閉包內容：我們這裡通過閉包的語法 (){}() 立刻執行閉包的內容，並把我們的 data 返回。

雖然 Text 這裡僅允許我們傳一個 String，但是我依然可以執行 print 方法。

另一個 case 是，如果我們想要僅在 debug 模式下執行某些語句，也可以通過 closure 配合斷言來實現，具體可以看我這篇文章。

實現策略模式

通過 closure 我們可以很方便實現策略模式。

void main(){
  var res = exec(select('sum'),1 ,2);
  print(res);
}

Function select(String opType){
  if(opType == 'sum') return sum;
  if(opType == 'sub') return sub;
  return (a, b) => 0;
}

int exec(NumberOp op, int a, int b){
  return op(a,b);
}

int sum(int a, int b) => a + b;
int sub(int a, int b) => a - b;

typedef NumberOp = Function (int a, int b);
複製程式碼

通過 select 方法，可以動態選擇我們要執行的具體方法。你可以在 這裡 執行這段程式碼。

實現 Builder 模式 / 懶載入

如果你有 Flutter 經驗，那麼你應該使用過 ListView.builder，它很好用對不對。我們只向 builder 屬性傳一個方法，ListView 就可以根據這個 builder 來構建它的每一個 item。實際上，這也是 closure 的一種體現。

ListView.builder({
//...
    @required IndexedWidgetBuilder itemBuilder,
//...
  })
  
typedef IndexedWidgetBuilder = Widget Function(BuildContext context, int index);
複製程式碼

Flutter 通過 typedef 定義了一種 Function，它接收 BuildContext 和 int 作為引數，然後會返回一個 Widget。對這樣的 Function 我們將它定義為 IndexedWidgetBuilder 然後將它內部的 Widget 返回出來。這樣外部的 scope 也能夠訪問 IndexedWidgetBuilder 的 scope 內部定義的 Widget，從而實現了 builder 模式。

同樣，ListView 的懶載入（延遲執行）也是閉包很重要的一個特性哦～

牛刀小試

在學習了 closure 以後，我們來道題檢驗一下你是否真正理解了吧～

main(){
  var counter = Counter(0);
  fun1(){
    var innerCounter = counter;
    Counter incrementCounter(){
      print(innerCounter.value);
      innerCounter.increment();
      return innerCounter;
    }
    return incrementCounter;
  }

  var myFun = fun1();
  print(myFun() == counter);
  print(myFun() == counter);
}

class Counter{
  int value;
  Counter(int value) 
  : this.value = value;

  increment(){
    value++;
  }
}
複製程式碼

上面這段程式碼會輸出什麼呢？

如果你已經想好了答案，就來看看是否正確吧！也歡迎大家在底下評論區一起討論～

寫在最後

本文非常感謝彥博哥 @Realank Liu 的 Review 以及寶貴的建議～

時隔半年來遲遲的更新，不知道是否對大家有點幫助呢～ Closure 在實現 Flutter 的諸多功能上都發揮著重要的作用，可以說它已經深入你程式設計的日常，默默幫助我們更好地編寫 Dart 程式碼，作為一名不斷精進的 Dart 開發者，是時候用起來啦～之後的文章中，我會逐漸轉向 Dart，給大家帶來更深入的內容，敬請期待！

如果您對本文還有任何疑問或者文章的建議，歡迎在下方評論區以及我的郵箱xinlei966@gmail.com 與我聯絡，我會及時回覆！

後續我的博文將首發 xinlei.dev，歡迎關注！

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