Closures in OOC

Closures in OOC

接上一篇Complexity Behind Closure，这次来专注于Rock是如何在C里实现Closure的。
这篇文章同时发布在Github上。

Block as Blocks

首先，需要指出的是，在C里面并不是完全没有办法使用Closure。Apple的GCC Fork里就给C添加了Block，用于实现Closure：

(Stolen from Wiki)

#include <stdio.h>
#include <Block.h>
typedef int (^IntBlock)();
 
IntBlock MakeCounter(int start, int increment) {
	__block int i = start;
 
	return Block_copy( ^ {
		int ret = i;
		i += increment;
		return ret;
	});
 
}
 
int main(void) {
	IntBlock mycounter = MakeCounter(5, 2);
	printf("First call: %d
", mycounter());
	printf("Second call: %d
", mycounter());
	printf("Third call: %d
", mycounter());
 
	/* because it was copied, it must also be released */
	Block_release(mycounter);
 
	return 0;
}
/* Output:
	First call: 5
	Second call: 7
	Third call: 9
*/

除去在代码风格上的偏见后，这个扩展看起来不是很差，不过依然有很多限制，比如考虑下面的功能：

isFound := false
filelist each(|filename, mode|
	f := func -> String{
		filename split("/") each(strip()) strip()[-1]
	}
	last := f(filename)
	if(last == "mysdk"){
		isFound = true
		return true
	}
	false
)

尝试这用Apple的block扩展来实现一下？看起来一点不现实。并且就算实现了，也只能在Apple的GCC Fork下面工作，显然并不是我们在追求的东西。

Way to Variable

好的，在开始解释OOC的Closure之前，让我们先来想想Closure要有什么特性：

• 能够自由的使用“自由变量”。 这里的“自由”是指在语法上定义于Closure以前的变量，比如

void test(Int a){
	Int b;

	// closure
}

这时closure要有能力读写变量a和b。当然，这是闭包的基本要求。

• 能够定义在任何地方。在Object Pascal/Delphi里，虽然我们能够定义nested function，但它的位置并不是自由的——当你在函数中间写了一个nested function时，编译器会要求你把它移动到顶端。但显然很多情况下我们需要的不仅仅是一个“临时”函数，我们还需要一个包含了之前定义过的所有变量的环境。

• 能够“携带”定义时的环境。考虑下面的情况：

f := func(a: Int) -> Func->Int{
    b: Int = a*2
    return func-> Int { a + b }
}

f1 := f(3)
f1() toString() println()

f1 = f(4)
f1() toString() println()

这个时候应该输出什么？ 显然是9和12。但如果我们的闭包不能携带这个环境的话，是没法输出正确的结果的。

Way in OOC

好的，现在让我们来看看在OOC里，closure是怎么实现的，这次让我们从最简单的情况开始：

main: func {
	a := 3
	f := func -> Int { a }
}

一个闭包，它只用来返回之前定义过的变量的值。在这里，如果你执行"#{f()}" println()的话，会得到结果3。好的，让我们首先看看OOC生成了什么，然后再慢慢解释： (另外，需要注意为什么我们这里要加上main函数？ 因为如果没有main的话，所有的变量都会变成全局，在闭包里本身就可以直接读写，也就失去的例子的意义）

    lang_Numbers__Int a = 3;
    __simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx* __simpleclosure_ctx4 = lang_Memory__gc_malloc(((lang_types__Class*)__simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx_class())->size);
    (*(__simpleclosure_ctx4)) = (__simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx) { 
        a
    };
    lang_types__Closure __simpleclosure_closure5 = (lang_types__Closure) { 
        simpleclosure____simpleclosure_simpleclosure_closure3_thunk, 
        __simpleclosure_ctx4
    };
    lang_types__Closure f = __simpleclosure_closure5;
    return 0;
}

lang_Numbers__Int simpleclosure____simpleclosure_simpleclosure_closure3(lang_Numbers__Int a) {
    return a;
}

lang_Numbers__Int simpleclosure____simpleclosure_simpleclosure_closure3_thunk(__simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx* __context__) {
    return simpleclosure____simpleclosure_simpleclosure_closure3((*__context__).a);
}

对于简单的两行代码，rock生成了一大堆东西。好的，让我们开始看到底发生了什么。

1. 首先，OOC里closure是一个结构体，它包含两个部分：context和function pointer。function pointer很简单，就如同名字上说的，我们把closure当成一个普通函数，这个函数的指针就是function pointer。而context则包含了所有closure需要的变量。用C的代码来说的话，就像这样：

typedef struct {
	Closure_Context* context;
	void (* thunk)(Closure_Context*);
} myclosure;

typedef struct {
	Int a;
} Closure_Context;

2. 当我们声明一个closure时，首先，这个closure会变成一个普通的函数，假设它的名字是closure_impl，但不同的地方是，除了本身声明时的参数外，这个closure还接受一个Closure_Context*作为参数。随后，我们初始化一个Closure_Context，它的成员包含了所有这个closure里用到的外部变量。在刚才那个例子里，我们只有一个Int a。最后，把这两个指针组合成myclosure，我们的声明就完成了。

3. 到了这里，相信你早就明白该怎么使用它了，只要简单的myclosure->thunk(myclosure->context)，一切就自然的完成了。让我们看看是不是真的这样：

main: func {
    a := 3
    f := func -> Int { a }
    f()
}

编译之后：

    lang_Numbers__Int a = 3;
    __simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx* __simpleclosure_ctx4 = lang_Memory__gc_malloc(((lang_types__Class*)__simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx_class())->size);
    (*(__simpleclosure_ctx4)) = (__simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx) { 
        a
    };
    lang_types__Closure __simpleclosure_closure5 = (lang_types__Closure) { 
        simpleclosure____simpleclosure_simpleclosure_closure3_thunk, 
        __simpleclosure_ctx4
    };
    lang_types__Closure f = __simpleclosure_closure5;
    ((lang_Numbers__Int (*)(void*)) f.thunk)(f.context);

虽然比起手写的代码看起来要复杂，但跟我们的基本思想是完全一致的。

Pain in Context

不过，到这里其实一切并没有结束，因为我有意忽略了一个重要的地方——如何确定我们的context？ 很显然，每个closure都有不同的context，不但意味这每个closure的context都要有自己的定义，还意味着我们必须自行推断需要把那些变量放进context里。好吧，让我们先看看第一个问题。

假设我们有这么一个代码：

foo: func{
	b: Int = 1
	f := func{
		b + 1
	}
}

bar: func{
	a, b: Int
	f := func{
		a = 1
		b = 2
	}
}

那么根据刚才介绍的构造，每一个f都会变成一个（context，thunk）的集合。thunk没有任何问题——简单的把f写成函数取地址就够了，那么让我们想想context该怎么构造。如果直接写的话，那么会是这样：

typedef struct{
	int b;
} foo_f_context;

typedef struct{
	int* a;
	int* b;
} bar_f_context;

这样，我们可以通过foo_f_context* -> b来访问b（只读），而可以通过bar_f_context* -> a来读写变量a。对，这种最简单的方法就是OOC所采用了。原因很简单——OOC不是C，在编译代码时所有closure访问了哪些变量都已经确定下来，我们只需要扫描一次，然后生成对应了struct就足够了。因此你会在头文件里找到这样的定义：

struct ___simpleclosure_simpleclosure_closure3_ctx {
    lang_Numbers__Int a;
};

因为一切都是自动生成的，我们并不担心会出错。并且，这种方式非常简单而且高效。不过，如果打算直接在C代码里使用闭包，那问题就要复杂的多了——毕竟我们不可能给每一个闭包手写一个结构体。纵使可以用Hashmap来自由的访问变量，如何收集变量是一个大问题。现在回头看来，似乎Apple挑选了一个最好的方式，在没有破坏C的结构之下引入了闭包。