Swift-进阶 09：闭包（一）使用&捕获原理

Swift 进阶之路 文章汇总

本文主要分析闭包以及闭包捕获变量的原理

闭包

闭包是一个捕获了全局上下文的常量或者变量的函数，通俗来讲，闭包可以是常量也可以是函数

  • 【全局函数是一种特殊的闭包】：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")
}
  • 【函数闭包】：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 / 匿名函数】：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
{ (param) -> ReturnType in
    //方法体
}

使用闭包的好处

  • 1、利用上下文推断参数和返回值类型

  • 2、单表达式可以隐式返回，即省略return关键字

  • 3、参数名称的简写，例如 $0表示第一个参数

  • 4、尾随闭包表达式

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
}
修改闭包常量报错
  • 【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：单表达式可以隐士表达，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: <)

捕获一个变量

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，每次的结构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申请了一个堆上的引用计数，并将引用计数地址给了RunningTotal，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
    捕获一个变量的SIL分析

    结论：所以，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
    捕获一个变量的断点分析

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}/06-EnumTestC/main.c > ./main.ll && code main.ll
IR代码分析
  • 第一个索引：%struct.munger_struct* %13, i32 0 等价于 第一个索引类型 + 第一个索引值 ==》 共同决定 第一个索引的偏移量
  • 第二个索引：i32 0

再结合图来理解

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*
    IR代码-指针类型图示

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
makeIncrementer函数-IR分析1

其结构体定义如下


makeIncrementer函数-结构体定义

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-->
0x0000000100002bc0
Box<Int>(refCounted: _7_Clourse.HeapObject(type: 0x0000000100004038, refCount1: 3, refCount2: 2), value: 10)
  • 终端命令查找0000000100002bc0（其中0x0000000100002bc0 是内嵌函数的地址）
nm -p /Users/chenjialin/Library/Developer/Xcode/DerivedData/07、Clourse-bsccpnlhsrkbzkdglsojfgisewnx/Build/Products/Debug/07、Clourse | grep 0000000100002bc0

其中s10_7_Clourse15makeIncrementerSiycyF11incrementerL_SiyFTA是内嵌函数的地址对应的符号

内嵌函数对应的符号

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


    捕获两个变量的IR分析

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-->
0x0000000100002910
0x00000001040098e0

  • 通过终端命令查看第一个地址是否是内嵌函数的地址

    经过包装的内嵌函数地址

    注：(函数必须使用VoidIntFun包装下，否则转换后的地址不是内嵌函数的地址)，如下所示
    未经过包装

  • 通过cat查看 第一个地址，即内嵌函数的地址

    cat查看内嵌函数地址

    • x/8g 第二个地址


      查看内嵌函数地址内存情况-1

    • 继续查看内存情况


      查看内存情况-2

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

修改后的再次验证

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, Int>>.self, capacity: 1) {
     $0.pointee
}
print(ctx.ptr)
print(ctx.captureValue.pointee)
print(ctx.captureValue.pointee.valueBox)

<!--打印结果-->
0x0000000100002b30
Box<Int>(refCounted: _7_Clourse.HeapObject(type: 0x0000000100004090, refCount1: 3, refCount2: 4), valueBox: 0x00000001006094a0, value: 10)
0x00000001006094a0

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


    捕获三个变量的内存分析

  • 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

//3、捕获3个值
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 value1: 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 = 1
    //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: 2)
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.value1)
print(ctx.captureValue.pointee.value2)

<!--打印结果-->
10
2

从打印结果可以看出，正好是传入的两个参数值

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

函数是引用类型分析-1

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-->
0x0000000100003370
nil

通过cat命令查看该地址，地址就是makeIncrementer函数的地址

函数是引用类型分析-2

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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