Go语言中的闭包：封装数据与功能的强大工具

闭包是包括 Go 在内的编程语言的一项强大功能。通过闭包，您可以在函数中封装数据，并通过函数的返回值访问这些数据。在本文中，我们将介绍 Go 中闭包的基础知识，包括它们是什么、如何工作以及如何有效地使用它们。

什么是闭包？

go官方有一句解释:

Function literals are closures: they may refer to variables defined in a surrounding function. Those variables are then shared between the surrounding function and the function literal, and they survive as long as they are accessible.

翻译过来就是：

函数字面量（匿名函数)是闭包：它们可以引用在周围函数中定义的变量。然后，这些变量在周围的函数和函数字面量之间共享，只要它们还可以访问，它们就会继续存在。

闭包是一种创建函数的方法，这些函数可以访问在其主体之外定义的变量。闭包是一个可以捕捉其周围环境状态的函数。这意味着函数可以访问不在其参数列表中或在其主体中定义的变量。闭包函数可以在外部函数返回后访问这些变量。

在 Go 中创建闭包

在 Go 中，您可以使用匿名函数创建闭包。创建闭包时，函数会捕获其周围环境的状态，包括外部函数中定义的任何变量。闭包函数可以在外部函数返回后访问这些变量。
下面是一个在 Go 中创建闭包的示例：

func adder() func(int) int { // 外部函数
	sum := 0
	return func(x int) int { // 内部函数
		fmt.Println("func sum: ", sum)
		sum += x
		return sum
	}
}

func main() {
	a := adder()
	fmt.Println(a(1))
	fmt.Println(a(2))
	fmt.Println(a(3))
}

在本例中，我们定义了一个返回匿名函数的加法器函数。匿名函数捕捉加法器函数中定义的 sum 变量的状态。每次调用匿名函数时，它都会将参数加到求和变量中，并返回结果。

所以其输出结果为：

func sum:  0
1
func sum:  1
3
func sum:  3
6

在 Go 中使用闭包

在 Go 中，闭包可用于多种用途，包括用函数封装数据、创建生成器、迭代器和 memoization 函数。

下面是一个使用闭包将数据与函数封装在一起的示例：

func makeGreeter(greeting string) func(string) string {
	return func(name string) string {
		fmt.Printf("func greeting: %s, name: %s\n", greeting, name)
		return greeting + ", " + name
	}
}

func main() {
	englishGreeter := makeGreeter("Hello")
	spanishGreeter := makeGreeter("Hola")

	fmt.Println(englishGreeter("John"))
	fmt.Println(englishGreeter("Tim"))
	fmt.Println(spanishGreeter("Juan"))
	fmt.Println(spanishGreeter("Taylor"))
}

在本例中，我们定义了一个名为 makeGreeter 的函数，它返回一个匿名函数。该匿名函数接收一个字符串参数，并返回一个将问候语和名称连接起来的字符串。我们创建了两个问候语程序，一个用于英语，一个用于西班牙语，然后用不同的名称调用它们。

所以其输出为：

func greeting: Hello, name: John
Hello, John
func greeting: Hello, name: Tim
Hello, Tim
func greeting: Hola, name: Juan
Hola, Juan
func greeting: Hola, name: Taylor
Hola, Taylor

替换捕获的变量

Go 闭包的强大功能之一是能够更改捕获的变量。这使得代码中的行为更加灵活和动态。下面是一个例子：

func makeCounter() func() int {
	i := 0
	return func() int {
		fmt.Println("func i: ", i)
		i++
		return i
	}
}

func main() {
	counter := makeCounter()
	fmt.Println(counter())
	fmt.Println(counter())
	fmt.Println(counter())
}

在本例中，makeCounter 函数返回一个闭包，每次调用都会使计数器递增。i 变量被闭包捕获，并可被修改以更新计数器。

所以其输出为：

func i:  0
1
func i:  1
2
func i:  2
3

逃逸变量

Go 闭包的另一个高级概念是变量逃逸分析。在 Go 中，变量通常在堆栈上分配，并在超出作用域时被去分配。然而，当变量被闭包捕获时，它必须在堆上分配，以确保在函数返回后可以访问它。这会导致性能开销，因此了解变量何时以及如何逃逸非常重要。
我们对比一下两个方法：

func makeAdder1(x1 int) func(int) int {
	return func(y1 int) int {
		return x1 + y1
	}
}

func makeAdder2(x2 int) func(int) int {
	fmt.Println(x2)
	return func(y2 int) int {
		return x2 + y2
	}
}

func main() {
	a := makeAdder1(5)
	fmt.Println(a(1))

	b := makeAdder2(6)
	fmt.Println(b(1))
}

makeAdder1 和 makeAdder2 的区别在于函数内的 x 是否被使用。

而我们通过逃逸分析：

go build -gcflags "-m" main.go

会得到以下输出：

./main.go:5:6: can inline makeAdder1
./main.go:6:9: can inline makeAdder1.func1
./main.go:13:9: can inline makeAdder2.func1
./main.go:12:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:19:17: inlining call to makeAdder1
./main.go:6:9: can inline main.makeAdder1.func1
./main.go:20:15: inlining call to main.makeAdder1.func1
./main.go:20:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:23:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:6:9: func literal escapes to heap
./main.go:12:13: ... argument does not escape
./main.go:12:14: x2 escapes to heap
./main.go:13:9: func literal escapes to heap
./main.go:19:17: func literal does not escape
./main.go:20:13: ... argument does not escape
./main.go:20:15: ~R0 escapes to heap
./main.go:23:13: ... argument does not escape
./main.go:23:15: b(1) escapes to heap

从逃逸分析结果来看，x 变量被闭包捕获，必须在堆上分配。不过，如果 x 变量不被闭包之外的任何其他代码使用，编译器可以进行优化，将其分配到栈中。

共享闭包

最后，Go 中的闭包可以在多个函数之间共享，从而实现更高的灵活性和模块化代码。下面是一个例子：

type Calculator struct {
	add func(int, int) int
}

func NewCalculator() *Calculator {
	c := &Calculator{}
	c.add = func(x, y int) int {
		fmt.Printf("func x: %d, y: %d\n", x, y)
		return x + y
	}
	return c
}

func (c *Calculator) Add(x, y int) int {
	return c.add(x, y)
}

func main() {
	calc := NewCalculator()
	fmt.Println(calc.Add(1, 2))
	fmt.Println(calc.Add(2, 3))
}

在本例中，Calculator 结构具有一个 add 函数，该函数在 NewCalculator 函数中通过闭包进行了初始化。Calculator 结构的 Add 方法只需调用 add 函数，这样就可以在多个上下文中重复使用。

所以其输出为：

func x: 1, y: 2
3
func x: 2, y: 3
5

结论

在 Go 编程中，闭包是一个强大的工具，可用于用函数封装数据，并创建生成器和迭代器等。它们提供了一种访问函数体外定义的变量的方法，即使在函数返回后也是如此。