C#語法糖 聊聊閉包的底層玩法
有朋友好奇為什么將 閉包 歸于語法糖，這里簡單聲明下，C# 中的所有閉包最終都會(huì)歸結(jié)于 類 和 方法，為什么這么說，因?yàn)?C# 的基因就已經(jīng)決定了，如果大家了解 CLR 的話應(yīng)該知道， C#中的類最終都會(huì)用 MethodTable 來承載，方法都會(huì)用 MethodDesc 來承載， 所以不管你怎么玩都逃不出這三界之內(nèi)。
這篇我們就來聊聊C#中的閉包底層原理及玩法，表面上的概念就不說了哈。
一：普通閉包玩法
1. 案例演示
放了方便說明，先上一段測(cè)試代碼：
static void Main(string[] args)
{
int y = 10;
Func<int, int> sum = x =>
{
return x + y;
};
Console.WriteLine(sum(11));
}剛才也說了，C#的基因決定了最終會(huì)用 class 和 method 對(duì) 閉包 進(jìn)行面向?qū)ο蟾脑欤侨绾胃脑炷兀窟@里有兩個(gè)問題：
- 匿名方法如何面向?qū)ο蟾脑?/li>
方法 不能脫離 類 而獨(dú)立存在，所以 編譯器 必須要為其生成一個(gè)類，然后再給匿名方法配一個(gè)名字即可。
- 捕獲到的 y 怎么辦
捕獲是一個(gè)很抽象的詞，一點(diǎn)都不接底氣，這里我用 面向?qū)ο?nbsp;的角度來解讀一下，這個(gè)問題本質(zhì)上就是 棧變量 和 堆變量 混在一起的一次行為沖突，什么意思呢？
- 棧變量
大家應(yīng)該知道 棧變量 所在的幀空間是由 esp 和 ebp 進(jìn)行控制，一旦方法結(jié)束，esp 會(huì)往回收縮造成局部變量從棧中移除。
- 堆變量
委托是一個(gè)引用類型，它是由 GC 進(jìn)行管理回收，只要它還被人牽著，自然就不會(huì)被回收。
到這里我相信你肯定發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的問題， 一旦 sum 委托逃出了方法，這時(shí)局部變量 y 肯定會(huì)被銷毀，如果真的被銷毀了, 后續(xù)再執(zhí)行 sum 委托自然就是一個(gè)巨大的bug，那怎么辦呢？
編譯器自然早就考慮到了這種情況，它在進(jìn)行面向?qū)ο蟾脑斓臅r(shí)候，特意為 類 定義了一個(gè) public 類型的字段，用這個(gè)字段來承載這個(gè)局部變量。
2. 手工改造
有了這些多前置知識(shí)，我相信你肯定會(huì)知道如何改造了，參考代碼如下：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
int y = 10;
//Func<int, int> sum = x =>
//{
// return x + y;
//};
//面向?qū)ο蟾脑? FuncClass funcClass = new FuncClass() { y = y };
Func<int, int> sum = funcClass.Run;
Console.WriteLine(sum(11));
}
}
public class FuncClass
{
public int y;
public int Run(int x)
{
return x + y;
}
}如果你不相信的話，可以看下 MSIL 代碼。
.method private hidebysig static
void Main (
string[] args
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x2050
// Code size 43 (0x2b)
.maxstack 2
.entrypoint
.locals init (
[0] class ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0' 'CS$<>8__locals0',
[1] class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32> sum
)
IL_0000: newobj instance void ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::.ctor()
IL_0005: stloc.0
IL_0006: nop
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldc.i4.s 10
IL_000a: stfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::y
IL_000f: ldloc.0
IL_0010: ldftn instance int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'(int32)
IL_0016: newobj instance void class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32>::.ctor(object, native int)
IL_001b: stloc.1
IL_001c: ldloc.1
IL_001d: ldc.i4.s 11
IL_001f: callvirt instance !1 class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32>::Invoke(!0)
IL_0024: call void [System.Console]System.Console::WriteLine(int32)
IL_0029: nop
IL_002a: ret
} // end of method Program::Main
.class nested private auto ansi sealed beforefieldinit '<>c__DisplayClass0_0'
extends [System.Runtime]System.Object
{
.custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor() = (
01 00 00 00
)
// Fields
.field public int32 y
// Methods
.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor () cil managed
{
// Method begins at RVA 0x2090
// Code size 8 (0x8)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void [System.Runtime]System.Object::.ctor()
IL_0006: nop
IL_0007: ret
} // end of method '<>c__DisplayClass0_0'::.ctor
.method assembly hidebysig
instance int32 '<Main>b__0' (
int32 x
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x209c
// Code size 14 (0xe)
.maxstack 2
.locals init (
[0] int32
)
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.1
IL_0002: ldarg.0
IL_0003: ldfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::y
IL_0008: add
IL_0009: stloc.0
IL_000a: br.s IL_000c
IL_000c: ldloc.0
IL_000d: ret
} // end of method '<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'
} // end of class <>c__DisplayClass0_0二：循環(huán)下閉包玩法
為了方便說明，還是先上一段代碼。
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = () => Console.WriteLine(i);
}
foreach (var item in actions) item();
}然后把代碼跑起來：
我相信有非常多的朋友都踩過這個(gè)坑，那為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？我試著從原理上解讀一下。
1. 原理解讀
根據(jù)前面所學(xué)的 面向?qū)ο?nbsp;改造法，我相信大家肯定會(huì)很快改造出來，參考代碼如下：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
//actions[i] = () => Console.WriteLine(i);
//改造后
var funcClass = new FuncClass() { i = i };
actions[i] = funcClass.Run;
}
foreach (var item in actions) item();
}
}
public class FuncClass
{
public int i;
public void Run()
{
Console.WriteLine(i);
}
}然后跑一下結(jié)果：
真奇葩，我們的改造方案一點(diǎn)問題都沒有，咋 編譯器 就弄不對(duì)呢？要想找到案例，只能看 MSIL 啦，簡化后如下：
IL_0001: ldc.i4.s 10
IL_0003: newarr [System.Runtime]System.Action
IL_0008: stloc.0
IL_0009: newobj instance void ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::.ctor()
IL_000e: stloc.1
IL_000f: ldloc.1
IL_0010: ldc.i4.0
IL_0011: stfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::i
IL_0016: br.s IL_003e
// loop start (head: IL_003e)
IL_0018: nop
IL_0019: ldloc.0
...
// end loop如果有興趣大家可以看下完整版，它的實(shí)現(xiàn)方式大概是這樣的。
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
var funcClass = new FuncClass();
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = funcClass.Run;
funcClass.i = i + 1;
}
foreach (var item in actions) item();
}
原來問題就出在了它只 new 了一次，同時(shí) for 循環(huán)中只是對(duì) i 進(jìn)行了賦值,導(dǎo)致了問題的發(fā)生。
2. 編譯器的想法
為什么編譯器會(huì)這么改造代碼，我覺得可能基于下面兩點(diǎn)。
- 不想 new 太多的類實(shí)例
new一個(gè)對(duì)象，其實(shí)并沒有大家想象的那么簡單，在 clr 內(nèi)部會(huì)分 快速路徑 和 慢速路徑，同時(shí)還為此導(dǎo)致 GC 回收，為了保存一個(gè)變量 需要專門 new 一個(gè)實(shí)例，這代價(jià)真的太大了。。。
- 有更好的解決辦法
更好的辦法就是用 方法參數(shù) ，方法的字節(jié)碼是放置在 CLR 的 codeheap 上，獨(dú)此一份，同時(shí)方法參數(shù)只是在棧上多了一個(gè)存儲(chǔ)空間而已，這代價(jià)就非常小了。
三：代碼改造
知道編譯器的苦衷后，改造起來就很簡單了，大概有如下兩種。
1. 強(qiáng)制 new 實(shí)例
這種改造法就是強(qiáng)制在每次 for 中 new 一個(gè)實(shí)例來承載 i 變量，參考代碼如下：
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
var j = i;
actions[i] = () => Console.WriteLine(j);
}
foreach (var item in actions) item();
}
2. 采用方法參數(shù)
為了能夠讓 i 作為方法參數(shù)，只能將 Action 改成 Action<int>，雖然你可能要為此掉頭發(fā)，但對(duì)程序性能來說是巨大的，參考代碼如下：
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action<int>[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = (j) => Console.WriteLine(j);
}
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i](i);
}
}
好了，洋洋灑灑寫了這么多，希望對(duì)大家有幫助。
