8.2.3 在 F＃ 使用闭包捕获状态

8.2.3 在 F＃ 使用闭包捕获状态

 

    在这一节，我们要讨论闭包（closures），在函数编程中，这是一个重要概念。闭包是很常见的，大部分时间它们都不使用可变状态。不过，出于实用的考虑，使用可变状态有时也是需要的，对于限制可变状态的范围，闭包给我们提供了一个极好的方法。

    首先，让我们来看一段简单的 F＃ 代码片段，我们在第五章中看过的：

 

> let createAdder num =
     (fun m -> num + m);;
val createAdder : int -> int �C> int

 

    在我们前面的讨论中，我们没有看出，在像这样的一个函数，与加法函数，它取两个参数并返回和，之间有什么区别。这是因为，我们可以调用带有一个参数值的加法函数：由于偏应用，其结果是一个函数，将指定的数加到任何给定的参数值上。

    如果你仔细分析一下在前面的例子的返回结果，它不仅是这个函数的代码！该代码是一组指令，加两个数字，但是，如果我们用两个不同的参数，调用 createAdder 两次，返回的函数显然是不同的，因为，它们是加不同的数。关键的思想是，函数不仅是代码，也是闭包，包含了这个函数使用的值，但并没有在函数体内声明。由闭包控制的值称为捕获（captured）。在前面的例子中，捕获的唯一例子是 num 参数。

    闭包听起来复杂，但很简单。 F＃ 编译器使用抽象类 FastFunc<int, int> 代表一个函数值，取一个整数作为参数值，并返回一个整数作为结果。清单 8.7 显示了生成的 createAdder 函数码转换为 C＃ 的代码。

 

Listing 8.7 Closure class generated by the F# compiler (C#)

 

class createAdder : FastFunc<int, int> {
  public int num;
  internal createAdder(int num) {
    this.num = num;
  }

  public override int Invoke(int m) {
    return this.num + m;
  }
}

static FastFunc<int, int> createAdder(int num) {
  return new createAdder(num);
}

 

    编译器生成一个静态方法 createAdder，它对应于 F＃ 的函数。该方法构造了一个函数值，由该函数的代码，和被这个闭包捕获到的存储的值组成。生成的封闭类取捕获到的值作为参数，因此，在我们的例子中，有一个单独的参数 num。在用虚拟方法 Invoke 执行这个函数值时，代码可以访问存储在闭包中的值。

    当然，我们一直在使用闭包创建函数，自从我们开始讨论 lambda 函数。只是没有明确地讨论，因为，通常你不需要考虑这些，它们只是工作。但是，如果闭包捕获值可能是可变的，会怎样呢？

 

可变状态使用引用单元

 

    要回答这个问题，我们需要能够创新一些状态去捕获。一个方法是用 let mutable，但是，在这种情况下，它并不工作，因为，那样的可变值只能用于本地，不能被闭包捕获。

    第二个方法是使用称为 ref 的类型创建可变值，这是创建引用单元（reference cell）的一个捷径。这是一个小的对象（实际上，是作为 F＃ 的记录类型声明的），它包含一个可变值。要了解 ref 类型如何工作，让我们在 C＃ 中定义相同的类型。正如你可以看到的，它是相当简单的：

 

class Ref<T> {
  public Ref(T value) { Value = value; }
  public T Value { get; set; }
}

 

    最重要的一点是，这里的 Value 属性是可变的，所以，当我们创建了一个不可变的 Ref<int> 类型的变量时，我们仍然可以改变它表示的值。清单 8.8 展示了一个在 F＃ 中使用引用单元的例子，显示了使用 Ref<T>类型相应的 C＃ 代码。在 F＃ 中，我们不直接访问这个类型，因为有一个函数，也叫 ref，创建一个引用的单元，把两个运算符连在一起，设置和读取它的值。

 

Listing 8.8 Working with reference cells in F# and C#

 

F# Interactive	C#
let st = ref 10 st := 11 printfn "%d" (!st)	var st = new Ref<int>(10); st.Value = 11; Console.WriteLine(st.Value);

    在第一行，我们创建了一个包含整数的引用单元。就像我们刚刚在 C＃ 中声明的 Ref<T>  类型一样，F＃ 的 ref 类型是泛型的，所以，我们可以用它来存储任何类型的值。接下来的两行演示了处理引用单元的运算符：赋值（:=）和取消引用（！）。F＃ 的运算符对应于设置或读取属性值，但给我们一个更方便的语法。

 

在闭包中捕捉引用单元

 

    现在，我们可以编写代码来捕获，通过在闭包中，使用引用单元创建的可变状态。清单 8.9 显示了一个可配置收入检查的 F＃ 版本。我们创建了 createIncomeTests 函数，返回一个有两个函数的元组：第一个函数改变所需的最低收入，第二个是测试函数自身。

 

Listing 8.9 Configurable income test using closures (F# Interactive)

 

&gt; let createIncomeTest () =
     let minimalIncome = ref 30000
     (fun (newMinimal) �C&gt;
       minimalIncome := newMinimal),
     (fun (client) �C&gt;
       client.Income < (!minimalIncome))
;;
val createIncomeTest : unit -> (int -&gt; unit) * (Client -&gt; bool)

&gt; let setMinimalIncome, testIncome = createIncomeTest();;
val testIncome : (Client -&gt; bool)
val setMinimalIncome : (int -&gt; unit)

&gt; let tests = [ testIncome; (* more tests... *) ];;
val tests : (Client -&gt; bool) list

 

    首先，让我们来看一下 createIncomeTest 函数的签名，它没有取任何参数取，返回一个函数的元组作为结果。在函数体中，我们首先创建一个可变的引用单元，并把它初始化成默认最低收入。返回的这个函数元组，是通过写两个 lambda 函数完成的，两个都使用了 minimalIncome 值。第一个函数（签名 int -&gt; unit）取一个新的收入作为参数值，并修改这个引用单元。第二个比较客户的收入与存储在引用单元中的当前值，有用来检查客户的函数的通常签名（Client -&gt; bool）。

    当我们后来调用 createIncomeTest 时，结果得到两个函数。我们只创建一个引用单元，这意味着，它是由两个函数的闭包所共享。我们可以用 setMinimalIncome 改变 testIncome 函数所需的最低收入。

    让我们看一下，在这个 F＃ 版本和前面讨论的在 C＃ 中实现的命令模式之间的类似。在 F＃ 中，状态由闭包自动捕获，而在 C＃ 中，是封装在一个显式的类中。在某种意义上，函数的元组和闭包对应于面向对象模式中的接收者对象。正如我们在清单 8.7 所见到的，F＃ 编译器通过生成 .NET 代码处理闭包，这类似于我们在 C＃ 中显式写的代码。这个中间语言（IL）由 .NET 使用，并不直接支持闭包，但它有类来存储状态。

    清单 8.10 完成了这个例子，演示了如何使用 setMinimalIncome 函数，修改检查。这个例子假定 testClient 函数现在使用在清单 8.9 中声明的检查集合。为了在 F＃ Interactive 中完成，你需要选择，并计算声明 tests 值的绑定，然后，计算 testClient 函数，以便它引用先前计算的集合。

 

Listing 8.10 Changing minimal income during testing (F# Interactive)

 

&gt; testClient(john);;
Client: John Doe
Offer a loan: YES (issues = 1)

&gt; setMinimalIncome(45000);;
val it : unit = ()

&gt; testClient(john);;
Client: John Doe
Offer a loan: NO (issues = 2)

 

    正如在 C＃ 版本中一样，我们首先使用初始的 tests 来检查这个客户（传递的客户），然后，修改其中一个检查所需的收入。改变之后，
这个客户不再满足条件，结果是否定的。

 

C＃ 中的闭包

 

    在上一节中，我们使用 C＃ 来写面向对象的代码，F＃ 写函数式代码，因为，我们想演示这些概念是如何发生关系的，闭包如何与对象类似，特别是在命令设计模式中的接收者对象。

    对于 lambda 函数，闭包是必不可少的，在 C＃3.0 中的 lambda 表达式语法也支持闭包的创建。在 C＃ 2 中，这是以匿名方法的形式表现的。下面的例子显示了如何创建一个函数，多次调用，将返回一个从零开始的数字序列：

 

Func<int> CreateCounter() {
  int num = 0;
  return () =&gt; { return num++; };
}

 

    变量 num 由闭包捕获，每次调用，返回的函数增加它的值。在 C＃ 中，变量默认是可变的，所以，当你像这样改变捕获变量的值，要特别小心。混乱的根源是捕获了一个 for 循环的循环变量。假设你在多次迭代中，捕获这个变量，到循环结束时，所有创建的闭包将包含相同的值，因为，我们只处理了一个变量。

 

    在本节中，我们讨论了面向对象模式和相关的函数技术。在某些情况下，我们使用函数，而不是有单一方法的接口。接下来，我们将看一下例子，当行为很简单，但不能只由一个函数来描述时，我们如何做。