Swift进阶08:闭包 & 捕获原理

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2021-09-19

闭包

闭包能够捕获和存储定义在其上下文中的任何常量和变量的引用，这也就是所谓的闭合并包裹那些常量和变量，因此被称为“闭包”，Swift 能够为你处理所有关于捕获的内存管理的操作。

闭包的三种形式

  • 【全局函数是一种特殊的闭包】：全局函数是一个有名字但不会捕获任何值的闭包
//定义一个全局函数，只是当前的全局函数并不捕获值
func test() {
    print("test")
}
  • 【内嵌函数是一个有名字且能从其上层函数捕获值的闭包】：下面的函数是一个闭包，函数中的incrementer是一个内嵌函数，可以从makeIncrementer中捕获变量runningTotal 
func makeIncrementer() -> () -> Int{
    var runningTotal = 10
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int{
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
  • 【闭包表达式】：是一个轻量级语法所写的可以捕获其上下文中常量或变量值的没有名字的闭包

下面是一个闭包表达式，即一个匿名函数，而且是从上下文中捕获变量和常量

//闭包表达式语法有如下的一般形式：
{ (parameters) -> (return type) in
    statements
}

使用闭包的好处

  • 1、利用上下文推断形式参数和返回值的类型；
  • 2、单表达式的闭包可以隐式返回，即省略return关键字；
  • 3、简写实际参数名，例如$0表示第一个参数；
  • 4、尾随闭包语法；

闭包表达式

OC与Swift的对比

  • OC中的Block其实是一个匿名函数，需要具备以下特点：

    • 1、作用域 {}
    • 2、参数和返回值
    • 3、函数体（in）之后的代码

  • Swift中的闭包，可以当做变量，也可以当做参数传递

var clourse: (Int)->(Int) = { (age: Int) in
    return age
}

闭包表达式的使用方式

  • 【可选类型的闭包表达式】1、将闭包表达式声明成一个可选类型
//声明一个可选类型的闭包
<!--错误写法-->
var clourse: (Int) -> Int?
clourse = nil

<!--正确写法-->
var clourse: ((Int) -> Int)?
clourse = nil
  • 【闭包常量】2、通过let将闭包声明成一个常量（即一旦赋值之后就不能更改）
//2、通过let将闭包声明为一个常量，即一旦赋值后就不能改变了
let clourse: (Int) -> Int
clourse = {(age: Int) in
    return age
}
//报错：Immutable value 'clourse' may only be initialized once
clourse = {(age: Int) in
    return age
}

  • 【闭包参数】3、将闭包作为 函数的参数
//3、将闭包作为函数的参数
func test(param: () -> Int){
    print(param())
}
var age = 10
test { () -> Int in
    age += 1
    return age
}

尾随闭包

当闭包作为函数的最后一个参数，如果当前的闭包表达式很长，我们可以通过尾随闭包的书写方法来提高代码的可读性

//闭包表达式作为函数的最后一个参数
func test(_ a: Int, _ b: Int, _ c: Int, by: (_ item1: Int, _ item2: Int, _ item3: Int) -> Bool) -> Bool{
    return by(a, b, c)
    
}
//常规写法
test(10, 20, 30, by: {(_ item1: Int, _ item2: Int, _ item3: Int) -> Bool in
        return (item1 + item2 < item3)
})
//尾随闭包写法
test(10, 20, 30) { (item1, item2, item3) -> Bool in
    return (item1 + item2 < item3)
}
  • 我们平常使用的array.sorted其实就是一个尾随闭包，且这个函数就只有一个参数，如下所示
//array.sorted就是一个尾随闭包
var array = [1, 2, 3]
//1、完整写法
array.sorted { (item1: Int, item2: Int) -> Bool in return item1 < item2}
//2、省略参数类型：通过array中的参数推断类型
array.sorted { (item1, item2) -> Bool in return item1 < item2}
//3、省略参数类型 + 返回值类型：通过return推断返回值类型
array.sorted { (item1, item2) in return item1 < item2}
//4、省略参数类型 + 返回值类型 + return关键字：单表达式可以隐式返回表达，即省略return关键字
array.sorted { (item1, item2) in item1 < item2}
//5、参数名称简写
array.sorted {return $0 < $1}
//6、参数名称简写 + 省略return关键字
array.sorted {$0 < $1}
//7、最简：直接传比较符号
array.sorted (by: <)

捕获原理

捕获一个值

下面代码的打印结果是什么？

func makeIncrementer() -> () -> Int {
    var runningTotal = 10
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
let makeInc = makeIncrementer()
print(makeInc())
print(makeInc())
print(makeInc())

<!--打印结果-->
11
12
13

打印结果如下，从结果中可以看出，每次的结果都是在上次函数执行的基础上累加的，但是我们所知的runningTotal是一个临时变量，按理说每次进入函数都是10，这里为什么会每次累加呢？ 主要原因：内嵌函数捕获了runningTotal，不再是单纯的一个变量了

  • 如果是下面这种方式调用呢？
print(makeIncrementer()())
print(makeIncrementer()())
print(makeIncrementer()())

<!--打印结果-->
11
11
11

为什么这种方式每次打印的结果就是同一个呢？

1、SIL分析

将上述代码通过SIL分析：

  • 1、通过alloc_box在堆上申请了一块内存空间，并将变量存储到堆上
  • 2、通过project_box从堆上取出变量

  • 3、将取出的变量交给闭包进行调用


结论：捕获值的本质是 将变量存储到堆上

2、断点验证

  • 也可以通过断点来验证，在makeIncrementer方法内部调用了swift_allocObject方法

总结

  • 一个闭包能够从上下文捕获已经定义的常量和变量，即使这些定义的常量和变量的原作用域不存在，闭包仍然能够在其函数体内引用和修改这些值
  • 当每次修改捕获值时，修改的是堆区中的value值
  • 当每次重新执行当前函数时，都会重新创建内存空间

所以上面的案例中我们知道：

  • makeInc是用于存储makeIncrementer函数调用的全局变量，所以每次都需要依赖上一次的结果
  • 而直接调用函数时，相当于每次都新建一个堆内存，所以每次的结果都是不关联的，即每次结果都是一致的

闭包是引用类型

这里还要一个疑问，makeInc存储的到底是什么？个人猜测存储的是runningTotal的堆区地址，下面我们通过分析来验证是否如此

但是此时我们发现，通过SIL并没有办法分析出什么，那么可以将SIL降一级，通过IR代码来观察数据的构成

在分析之前，首先来了解下IR的基本语法

IR基本语法

  • 通过以下命令将代码转换为IR文件
swiftc -emit-ir 文件名 > ./main.ll && code main.ll

例如：
- cd 文件所在路径
- swiftc -emit-ir main.swift > ./main.ll && open main.ll
  • 数组
/*
- elementnumber 数组中存放数据的数量
- elementtype 数组中存放数据的类型
*/
[<elementnumber> x <elementtype>]

<!--举例-->
/*
24个i8都是0
- iN：表示多少位的整型，即8位的整型 - 1字节
*/
alloca [24 x i8], align 8
  • 结构体
/*
- T：结构体名称
- <type list> ：列表，即结构体的成员列表
*/
//和C语言的结构体类似
%T = type {<type list>}


<!--举例-->
/*
- swift.refcounted：结构体名称
- %swift.type*：swift.type指针类型
- i64：64位整型 - 8字节
*/
%swift.refcounted = type { %swift.type*, i64}
  • 指针类型
<type> *

<!--举例-->
//64位的整型 - 8字节
i64*
  • getelementptr指令

在LLVM中获取数组和结构体的成员时通过getelementptr，语法规则如下：

<result> = getelementptr <ty>, <ty>* <ptrval>{, [inrange] <ty> <id x>}*

<result> = getelementptr inbounds <ty>, <ty>* <ptrval>{, [inrange] <ty> <idx>}*

<!--举例-->
struct munger_struct{
    int f1;
    int f2;
};
void munge(struct munger_struct *P){
    P[0].f1 = P[1].f1 + P[2].f2;
}

//使用
struct munger_struct* array[3];

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    munge(array);
    
    return 0;
}

通过下面的命令将c/c++编译成IR

clang -S -emit-llvm 文件名 > ./main.ll && code main.ll

<!--举例-->
clang -S -emit-llvm ${SRCROOT}/HTClourseTest/main.c > ./main.ll && "/Applications/Visual Studio Code.app/Contents/Resources/app/bin/code" main.ll

结合图来理解

int main(int argc, const char * argv[]) { 
    int array[4] = {1, 2, 3, 4}; 
    int a = array[0];
    return 0;
}
其中int a = array[0];这句对应的LLVM代码应该是这样的：
/*
- [4 x i32]* array：数组首地址
- 第一个0：相对于数组自身的偏移，即偏移0字节 0 * 4字节
- 第二个0：相对于数组元素的偏移，即结构体第一个成员变量 0 * 4字节
*/
a = getelementptr inbounds [4 x i32], [4 x i32]* array, i64 0, i64 0
  • 可以看到其中的第一个0，使用基本类型[4 x i32]，因此返回的指针前进0 * 16字节，即当前数组首地址
  • 第二个index，使用基本类型 i32，返回的指针前进0字节，即当前数组的第一个元素，返回的指针类型是 i32*

总结

  • 第一个索引不会改变返回的指针的类型，即ptrval前面的*对应什么类型，返回的就是什么类型
  • 第一个索引的偏移量是由第一个索引的值和第一个ty指定的基本类型共同确定的
  • 后面的索引是在数组或者结构体内进行索引
  • 每增加一个索引，就会使得该索引使用的基本类型和返回的指针类型去掉一层（例如 [4 x i32] 去掉一层是 i32）

IR分析

分析IR代码
  • 查看makeIncrementer方法
    • 1、首先通过swift_allocObject创建swift.refcounted结构体
    • 2、然后将swift.refcounted转换为<{ %swift.refcounted, [8 x i8] }>*结构体（即Box）
    • 3、取出结构体中index等于1的成员变量，存储到[8 x i8]*连续的内存空间中
    • 4、将内嵌函数的地址存储到i8即void地址中
    • 5、最后返回一个结构体

其结构体定义如下


仿写

通过上述的分析，仿写其内部的结构体，然后构造一个函数的结构体，将makeInc的地址绑定到结构体中

struct HeapObject {
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}

//函数返回值结构体
//BoxType 是一个泛型，最终是由传入的Box决定的
struct FunctionData<BoxType>{
    //内嵌函数地址
    var ptr: UnsafeRawPointer
    var captureValue: UnsafePointer<BoxType>
}

//捕获值的结构体
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    var value: T
}

//封装闭包的结构体，目的是为了使返回值不受影响
struct VoidIntFun {
    var f: () ->Int
}

//下面代码的打印结果是什么？
func makeIncrementer() -> () -> Int{
    var runningTotal = 10
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int{
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
let makeInc = VoidIntFun(f: makeIncrementer())

let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFun>.allocate(capacity: 1)
//初始化的内存空间
ptr.initialize(to: makeInc)
//将ptr重新绑定内存
let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box<Int>>.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}
print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue.pointee)

<!--打印结果-->
0x00000001000018f0
Box<Int>(refCounted: HTClourseTest.HeapObject(type: 0x0000000100004038, refCount1: 2, refCount2: 2), value: 10)
  • 终端命令查找00000001000018f0（其中0x00000001000018f0 是内嵌函数的地址）
nm -p HTClourseTest | grep 00000001000018f0

其中t _$s13HTClourseTest15makeIncrementerSiycyF11incrementerL_SiyFTA是内嵌函数的地址对应的符号

结论：所以当我们var makeInc2 = makeIncrementer()使用时，相当于给makeInc2就是FunctionData结构体，其中关联了内嵌函数地址，以及捕获变量的地址，所以才能在上一个的基础上进行累加

捕获两个变量的情况

上面的案例中，我们分析了闭包捕获一个变量的情况，如果是将捕获一个变量更改为捕获两个变量呢？如下所示修改makeIncrementer函数

func makeIncrementer(forIncrement amount: Int) -> () -> Int {
    var runningTotal = 0
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += amount
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
  • 查看其IR代码

内部结构仿写

根据捕获一个变量的仿写，继续仿写捕获两个变量的情况

//2、闭包捕获多个值的原理
struct HeapObject {
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}

//函数返回值结构体
//BoxType 是一个泛型，最终是由传入的Box决定的
struct FunctionData<BoxType>{
    var ptr: UnsafeRawPointer//内嵌函数地址
    var captureValue: UnsafePointer<BoxType>
}

//捕获值的结构体
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    var value: T
}

//封装闭包的结构体，目的是为了使返回值不受影响
struct VoidIntFun {
    var f: () ->Int
}

//下面代码的打印结果是什么？
func makeIncrementer(forIncrement amount: Int) -> () -> Int{
    var runningTotal = 0
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int{
        runningTotal += amount
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
var makeInc = makeIncrementer(forIncrement: 10)
var f = VoidIntFun(f: makeInc)

let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFun>.allocate(capacity: 1)
//初始化的内存空间
ptr.initialize(to: f)
//将ptr重新绑定内存
let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box<Int>>.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}
print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue)

<!--打印结果-->
0x00000001000058c0
0x0000000100640310
  • 通过终端命令查看第一个地址是否是内嵌函数的地址

  • 通过cat查看 第一个地址，即内嵌函数的地址

  • x/8g第二个地址

  • 继续查看内存情况

如果将runningTotal改成12呢？来验证是否如我们猜想的一样。事实证明，确实是存储的runningTotal

所以，闭包捕获两个变量时，Box结构体内部发生了变化，修改后的仿写代码如下：

//2、闭包捕获多个值的原理
struct HeapObject {
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}

//函数返回值结构体
//BoxType 是一个泛型，最终是由传入的Box决定的
struct FunctionData<BoxType>{
    var ptr: UnsafeRawPointer//内嵌函数地址
    var captureValue: UnsafePointer<BoxType>
}

//捕获值的结构体
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    //valueBox用于存储Box类型
    var valueBox: UnsafeRawPointer
    var value: T
}

//封装闭包的结构体，目的是为了使返回值不受影响
struct VoidIntFun {
    var f: () ->Int
}

//下面代码的打印结果是什么？
func makeIncrementer(forIncrement amount: Int) -> () -> Int{
    var runningTotal = 12
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int{
        runningTotal += amount
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}

var makeInc = makeIncrementer(forIncrement: 10)
var f = VoidIntFun(f: makeInc)

let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFun>.allocate(capacity: 1)
//初始化的内存空间
ptr.initialize(to: f)
//将ptr重新绑定内存
let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box<Int>>.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}
print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue.pointee)
print(ctx.captureValue.pointee.valueBox)

<!--打印结果-->
0x0000000100005860
Box<Int>(refCounted: HTClourseTest.HeapObject(type: 0x0000000100008098, refCount1: 2, refCount2: 4), valueBox: 0x0000000100481330, value: 10)
0x0000000100481330
疑问：如果是捕获3个变量呢？
  • 如下所示，是捕获三个值的内存情况

  • 通过IR文件发现，从返回值倒推 
<!--返回值-->
ret { i8*, %swift.refcounted* } %15

<!--%15-->
%15 = insertvalue { i8*, %swift.refcounted* }
{ i8* bitcast (i64 (%swift.refcounted*)* @"$s4main15makeIncrementer12forIncrement7amount2SiycSi_SitF11incrementerL_SiyFTA" to i8*),
    %swift.refcounted* undef }, %swift.refcounted* %10, 1

<!--%10-->
//与捕获两个变量相比，区别在于 i64 32 变成了 i64 40
%10 = call noalias %swift.refcounted* @swift_allocObject(
%swift.type* getelementptr inbounds (%swift.full_boxmetadata, %swift.full_boxmetadata* @metadata.3, i32 0, i32 2),
i64 40, i64 7) #1

所以Box结构体改为

//捕获值的结构体
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    //这也是一个HeapObject
    var valueBox: UnsafeRawPointer
    var value1: T
    var value2: T
}

最终完整的仿写代码为

//2、闭包捕获多个值的原理
struct HeapObject {
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}

//函数返回值结构体
//BoxType 是一个泛型，最终是由传入的Box决定的
struct FunctionData<BoxType>{
    var ptr: UnsafeRawPointer//内嵌函数地址
    var captureValue: UnsafePointer<BoxType>
}

//捕获值的结构体
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    //valueBox用于存储Box类型
    var valueBox: UnsafeRawPointer
    var value: T
    var value2: T
}

//封装闭包的结构体，目的是为了使返回值不受影响
struct VoidIntFun {
    var f: () ->Int
}

//下面代码的打印结果是什么？
func makeIncrementer(forIncrement amount: Int, amount2: Int) -> () -> Int{
    var runningTotal = 12
    //内嵌函数，也是一个闭包
    func incrementer() -> Int{
        runningTotal += amount
        runningTotal += amount2
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
var makeInc = makeIncrementer(forIncrement: 10, amount2: 18)
var f = VoidIntFun(f: makeInc)

let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFun>.allocate(capacity: 1)
//初始化的内存空间
ptr.initialize(to: f)
//将ptr重新绑定内存
let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box<Int>>.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}
print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue)
print(ctx.captureValue.pointee)

总结

  • 1、捕获值原理：在堆上开辟内存空间，并将捕获的值放到这个内存空间里
  • 2、修改捕获值时：实质是修改堆空间的值
  • 3、闭包是一个引用类型（引用类型是地址传递），闭包的底层结构（是结构体：函数地址 + 捕获变量的地址 == 闭包）
  • 4、函数也是一个引用类型（本质是一个结构体，其中只保存了函数的地址），例如还是以makeIncrementer函数为例
func makeIncrementer(inc: Int) -> Int{
    var runningTotal = 1
    return runningTotal + inc
}

var makeInc = makeIncrementer

分析其IR代码，函数在传递过程中，传递的就是函数的地址

将仿写的FunctionData进行修改

struct FunctionData{
    var ptr: UnsafeRawPointer//内嵌函数地址
    var captureValue: UnsafePointer<BoxType>
}

然后改版后的结构仿写如下

//函数也是引用类型
struct FunctionData{
    //函数地址
    var ptr: UnsafeRawPointer
    var captureValue: UnsafeRawPointer?
}

//封装闭包的结构体，目的是为了使返回值不受影响
struct VoidIntFun {
    var f: (Int) ->Int
}

func makeIncrementer(inc: Int) -> Int{
    var runningTotal = 1
    return runningTotal + inc
}

var makeInc = makeIncrementer
var f = VoidIntFun(f: makeInc)

let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFun>.allocate(capacity: 1)
//初始化的内存空间
ptr.initialize(to: f)
//将ptr重新绑定内存
let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}

print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue)

<!--打印结果-->
0x0000000100002140
nil

通过cat命令查看该地址，地址就是makeIncrementer函数的地址

总结

  • 一个闭包能够从上下文中捕获已经定义的常量/变量，即使其作用域不存在了，闭包仍然能够在其函数体内引用、修改

    • 1、每次修改捕获值：本质修改的是堆区中的value值
    • 2、每次重新执行当前函数，会重新创建新的内存空间

  • 捕获值原理：本质是在堆区开辟内存空间，并将捕获值存储到这个内存空间

  • 闭包是一个引用类型（本质是函数地址传递），底层结构为：闭包 = 函数地址 + 捕获变量的地址

  • 函数也是引用类型（本质是结构体，其中保存了函数的地址）

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