C/C++语言中闭包的探究及比较

C/C++语言中闭包的探究及比较

感谢投稿人 @思禽饮霜 

这里主要讨论的是C语言的扩展特性block。该特性是Apple为C、C++、Objective-C增加的扩展,让这些语言可以用类Lambda表达式的语法来创建闭包。前段时间,在对CoreData存取进行封装时(让开发人员可以更简洁快速地写相关代码),我对block机制有了进一步了解,觉得可以和C++ 11中的Lambda表达式相互印证,所以最近重新做了下整理,分享给大家。

0. 简单创建匿名函数

下面两段代码的作用都是创建匿名函数并调用,输出Hello, World语句。分别使用Objective-C和C++ 11:

^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
[] { cout << "Hello, World" << endl; } ();

Lambda表达式的一个好处就是让开发人员可以在需要的时候临时创建函数,便捷。

在创建闭包(或者说Lambda函数)的语法上,Objective-C采用的是上尖号^,而C++ 11采用的是配对的方括号[]

不过“匿名函数”一词是针对程序员而言的,编译器还是采取了一定的命名规则。

比如下面Objective-C代码中的3个block,

#import <Foundation/Foundation.h>

int (^maxBlk)(int , int) = ^(int m, int n){ return m > n ? m : n; };

int main(int argc, const char * argv[])
{
    ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();

    int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
    blk();

    return 0;
}

会产生对应的3个函数:

__maxBlk_block_func_0
__main_block_func_0
__main_block_func_1

可见函数的命名规则为:__{$Scope}_block_func_{$index}。其中{$Scope}为block所在函数,如果{$Scope}为全局就取block本身的名称;{$index}表示该block在{$Scope}作用域内出现的顺序(第几个block)。

1. 从语法上看如何捕获外部变量

在上面的代码中,已经看到“匿名函数”可以直接访问外围作用域的变量i:

int i = 1024;
void (^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
blk();

当匿名函数和non-local变量结合起来,就形成了闭包(个人看法)。
这一段代码可以成功输出i的值。

我们把一样的逻辑搬到C++上:

int i = 1024;
auto func = [] { printf("%d\n", i); };
func();

GCC会输出:错误:‘i’未被捕获。可见在C++中无法直接捕获外围作用域的变量。

以BNF来表示Lambda表达式的上下文无关文法,存在:

lambda-expression : lambda-introducer lambda-parameter-declarationopt compound-statement
lambda-introducer : [ lambda-captureopt ]

因此,方括号中还可以加入一些选项:

[]        Capture nothing (or, a scorched earth strategy?)
[&]       Capture any referenced variable by reference
[=]       Capture any referenced variable by making a copy
[=, &foo] Capture any referenced variable by making a copy, but capture variable foo by reference
[bar]     Capture bar by making a copy; don't copy anything else
[this]    Capture the this pointer of the enclosing class

根据文法,对代码加以修改,使其能够成功运行:

bash-3.2# vi testLambda.cpp
bash-3.2# g++-4.7 -std=c++11 testLambda.cpp -o testLambda
bash-3.2# ./testLambda
1024
bash-3.2# cat testLambda.cpp
#include <iostream>

using  namespace std;

int main()
{
     int i = 1024;
     auto func = [=] { printf("%d\n", i); };
     func();

     return 0;
}
bash-3.2#

2. 从语法上看如何修改外部变量

上面代码中使用了符号=,通过拷贝方式捕获了外部变量i。
但是如果尝试在Lambda表达式中修改变量i:

auto func = [=] { i = 0; printf("%d\n", i); };

会得到错误:

testLambda.cpp: 在 lambda 函数中:
testLambda.cpp:9:24: 错误:向只读变量‘i’赋值

可见通过拷贝方式捕获的外部变量是只读的。Python中也有一个类似的经典case,个人觉得有相通之处:

x = 10
def foo():
    print(x)
    x += 1
foo()

这段代码会抛出UnboundLocalError错误,原因可以参见FAQ

在C++的闭包语法中,如果需要对外部变量的写权限,可以使用符号&,通过引用方式捕获:

int i = 1024;
auto func = [&] { i = 0; printf("%d\n", i); };
func();

反过来,将修改外部变量的逻辑放到Objective-C代码中:

int i = 1024;
void (^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); };
blk();

会得到如下错误:

main.m:14:29: error: variable is not assignable (missing __block type specifier)
    void (^blk)(void) = ^{ i++; printf("%d\n", i); };
                           ~^
1 error generated.

可见在block的语法中,默认捕获的外部变量也是只读的,如果要修改外部变量,需要使用__block类型指示符进行修饰。
为什么呢?请继续往下看 :)

3. 从实现上看如何捕获外部变量

闭包对于编程语言来说是一种语法糖,包括Block和Lambda,是为了方便程序员开发而引入的。因此,对Block特性的支持会落地在编译器前端,中间代码将会是C语言。

先看如下代码会产生怎样的中间代码。

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ printf("%d\n", i); };
    blk();

    return 0;
}

首先是block结构体的实现:

#ifndef BLOCK_IMPL
#define BLOCK_IMPL
struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
// 省略部分代码

#endif

第一个成员isa指针用来表示该结构体的类型,使其仍然处于Cocoa的对象体系中,类似Python对象系统中的PyObject。

第二、三个成员是标志位和保留位。

第四个成员是对应的“匿名函数”,在这个例子中对应函数:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int i = __cself->i; // bound by copy
    printf("%d\n", i);
}

函数__main_block_func_0引入了参数__cself,为struct __main_block_impl_0 *类型,从参数名称就可以看出它的功能类似于C++中的this指针或者Objective-C的self。
而struct __main_block_impl_0的结构如下:

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int i;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _i, int flags=0) : i(_i) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

从__main_block_impl_0这个名称可以看出该结构体是为main函数中第零个block服务的,即示例代码中的blk;也可以猜到不同场景下的block对应的结构体不同,但本质上第一个成员一定是struct __block_impl impl,因为这个成员是block实现的基石。

结构体__main_block_impl_0又引入了一个新的结构体,也是中间代码里最后一个结构体:

static struct __main_block_desc_0 {
    unsigned long reserved;
    unsigned long Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

可以看出,这个描述性质的结构体包含的价值信息就是struct __main_block_impl_0的大小。

最后剩下main函数对应的中间代码:

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int i = 1024;
    void (*blk)(void) = (void (*)(void))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, i);
    ((void (*)(struct __block_impl *))((struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);

    return 0;
}

从main函数对应的中间代码可以看出执行block的本质就是以block结构体自身作为__cself参数,这里对应__main_block_impl_0,通过结构体成员FuncPtr函数指针调用对应的函数,这里对应__main_block_func_0。

其中,局部变量i是以值传递的方式拷贝一份,作为__main_block_impl_0的构造函数的参数,并以初始化列表的形式赋值给其成员变量i。所以,基于这样的实现,不允许直接修改外部变量是合理的——因为按值传递根本改不到外部变量。

4. 从实现上看如何修改外部变量(__block类型指示符)

如果想要修改外部变量,则需要用__block来修饰:

int main(int argc, const char * argv[])
{
    __block int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ i = 0; printf("%d\n", i); };
    blk();

    return 0;
}

此时再看中间代码,发现多了一个结构体:

struct __Block_byref_i_0 {
    void *__isa;
    __Block_byref_i_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    int i;
};

于是,用__block修饰的int变量i化身为__Block_byref_i_0结构体的最后一个成员变量

代码中blk对应的结构体也发生了变化:

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    __Block_byref_i_0 *i; // by ref
    __main_block_impl_0(void *fp, struct__main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

__main_block_impl_0发生的变化就是int类型的成员变量i换成了__Block_byref_i_0 *类型,从名称可以看出现在要通过引用方式来捕获了。

对应的函数也不同了:

static void __main_block_func_0(struct  __main_block_impl_0 *__cself) {
    __Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref
    (i->__forwarding->i) = 0; // 看起来很厉害的样子
    printf("%d\n", (i->__forwarding->i));
}

main函数也有了变动:

int main(int argc, const char * argv[])
{
    __block __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};
    void (*blk)(void) = (void (*)(void))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (struct __Block_byref_i_0 *)&i, 570425344);
    ((void (*)(struct __block_impl *))((struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);

    return 0;
}

前两行代码创建了两个关键结构体,特地高亮显示。

这里没有看__main_block_desc_0发生的变化,放到后面讨论

使用__block类型指示符的本质就是引入了__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体,而被__block关键字修饰的变量就被放到这个结构体中。另外,block结构体通过引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}指针类型的成员,得以间接访问到外部变量。

通过这样的设计,我们就可以修改外部作用域的变量了,再一次应了那句话:

There is no problem in computer science that can’t be solved by adding another level of indirection.

指针是我们最经常使用的间接手段,而这里的本质也是通过指针来间接访问,为什么要特地引入__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体,而不是直接使用int *来访问外部变量i呢?

另外,__Block_byref_{$var_name}_{$index}结构体中的__forwarding指针成员有何作用?

请继续往下看 :)

5. 背后的内存管理动作

在Objective-C中,block特性的引入是为了让程序员可以更简洁优雅地编写并发代码(配合看起来像敏感词的GCD)。比较常见的就是将block作为函数参数传递,以供后续回调执行。

先看一段完整的、可执行的代码:

#import <Foundation/Foundation.h>
#include <pthread.h>

typedef void (^DemoBlock)(void);

void test();
void *testBlock(void *blk);

int main(int argc, const char * argv[])
{
    printf("Before test()\n");
    test();
    printf("After test()\n");

    sleep(5);
    return 0;
}

void test()
{
    __block int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ i = 2048; printf("%d\n", i); };

    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)blk);
    printf("thread returns : %d\n", ret);

    sleep(3); // 这里睡眠1s的话,程序会崩溃
}

void *testBlock(void *blk)
{
    sleep(2);

    printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");
    DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;
    demoBlk();

    return NULL;
}

在这个示例中,位于test()函数的block类型的变量blk就作为函数参数传递给testBlock。

正常情况下,这段代码可以成功运行,输出:

Before test()
thread returns : 0
testBlock : Begin to exec blk.
2048
After test()

如果按照注释,将test()函数最后一行改为休眠1s的话,正常情况下程序会在输出如下结果后崩溃:

Before test()
thread returns : 0
After test()
testBlock : Begin to exec blk.

从输出可以看出,当要执行blk的时候,test()已经执行完毕回到main函数中,对应的函数栈也已经展开,此时栈上的变量已经不存在了,继续访问导致崩溃——这也是不用int *直接访问外部变量i的原因。

5.1 拷贝block结构体

上文提到block结构体__block_impl的第一个成员是isa指针,使其成为NSObject的子类,所以我们可以通过相应的内存管理机制将其拷贝到堆上:

void test()
{
    __block int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ i = 2048; printf("%d\n", i); };

    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)[blk copy]);
    printf("thread returns : %d\n", ret);

    sleep(1);
}

void *testBlock(void *blk)
{
    sleep(2);

    printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");
    DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;
    demoBlk();
    [demoBlk release];

    returnNULL;
}

再次执行,得到输出:

Before test()
thread returns : 0
After test()
testBlock : Begin to exec blk.
2048

可以看出,在test()函数栈展开后,demoBlk仍然可以成功执行,这是由于blk对应的block结构体__main_block_impl_0已经在堆上了。不过这还不够——

5.2 拷贝捕获的变量(__block变量)

在拷贝block结构体的同时,还会将捕获的__block变量,即结构体__Block_byref_i_0,复制到堆上。这个任务落在前面没有讨论的__main_block_desc_0结构体身上:

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
    unsigned long reserved;
    unsigned long Block_size;
    void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
    void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};

栈上的__main_block_impl_0结构体为src,堆上的__main_block_impl_0结构体为dst,当发生复制动作时,__main_block_copy_0函数会得到调用,将src的成员变量i,即__Block_byref_i_0结构体,也复制到堆上

5.3 __forwarding指针的作用

当复制动作完成后,栈上和堆上都存在着__main_block_impl_0结构体。如果栈上、堆上的block结构体都对捕获的外部变量进行操作,会如何?

下面是一段示例代码:

void test()
{
    __block int i = 1024;
    void (^blk)(void) = ^{ i++; printf("%d\n", i); };

    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, testBlock, (void *)[blk copy]);
    printf("thread returns : %d\n", ret);

    sleep(1);
    blk();
}

void *testBlock(void *blk)
{
    sleep(2);

    printf("testBlock : Begin to exec blk.\n");
    DemoBlock demoBlk = (DemoBlock)blk;
    demoBlk();
    [demoBlk release];

    returnNULL;
}
  1. 在test()函数中调用pthread_create创建线程时,blk被复制了一份到堆上作为testBlock函数的参数。
  2. test()函数中的blk结构体位于栈中,在休眠1s后被执行,对i进行自增动作。
  3. testBlock函数在休眠2s后,执行位于堆上的block结构体,这里为demoBlk。

上述代码执行后输出:

Before test()
thread returns : 0
1025
After test()
testBlock : Begin to exec blk.
1026

可见无论是栈上的还是堆上的block结构体,修改的都是同一个__block变量

这就是前面提到的__forwarding指针成员的作用了:

起初,栈上的__block变量的成员指针__forwarding指向__block变量本身,即栈上的__Block_byref_i_0结构体。

当__block变量被复制到堆上后,栈上的__block变量的__forwarding成员会指向堆上的那一份拷贝,从而保持一致。

参考资料:


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C/C++语言中闭包的探究及比较》的相关评论

  1. 您好,想请教一个小问题,文中“栈上的__block变量的__forwarding成员会指向堆上的那一份拷贝,从而保持一致”,那么,当线程函数的[demoBlk release]执行之后,假设线程函数比主函数先退出的话,是不是主函数中的blk的__forwarding依然指着堆上的拷贝,不会再指回去了,然后等到主函数的对象析构之后一并释放?

  2. 在G++里面,lambda表达式应该是被处理成了类似
    struct function_name(){
    // vars
    RetType operator() (Args…) {
    // code
    }
    }lambda0();
    的形式……

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