Lua的function、closure和upvalue

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　　Lua中的函數是一階類型值(first-class　value)，定義函數就象創建普通類型值一樣(只不過函數類型值的數據主要是一條條指令而已)，所以在函數體中仍然可以定義函數。假設函數f2定義在函數f1中，那麽就稱f2為f1的內嵌(inner)函數，f1為f2的外包(enclosing)函數，外包和內嵌都具有傳遞性，即f2的內嵌必然是f1的內嵌，而f1的外包也一定是f2的外包。內嵌函數可以訪問外包函數已經創建的所有局部變量，這種特性便是所謂的詞法定界(lexical　scoping)，而這些局部變量則稱為該內嵌函數的外部局部變量(external　local　variable)或者upvalue(這個詞多少會讓人產生誤解，因為upvalue實際指的是變量而不是值)。試看如下代碼：
　　function　f1(n)
　　--　函數參數也是局部變量
　　
　　local　function　f2()
　　print(n)　--　引用外包函數的局部變量
　　end
　　return　f2
　　end
　　
　　g1　=　f1(1979)
　　g1()　--　打印出1979
　　g2　=　f1(500)
　　g2()　--　打印出500
　　
　　當執行完g1　=　f1(1979)後，局部變量n的生命本該結束，但因為它已經成了內嵌函數f2(它又被賦給了變量g1)的upvalue，所以它仍然能以某種形式繼續“存活”下來，從而令g1()打印出正確的值。
　　
　　可為什麽g2與g1的函數體一樣(都是f1的內嵌函數f2的函數體)，但打印值不同？這就涉及到一個相當重要的概念——閉包(closure)。事實上，Lua編譯一個函數時，會為它生成一個原型(prototype)，其中包含了函數體對應的虛擬機指令、函數用到的常量值(數，文本字符串等等)和一些調試信息。在運行時，每當Lua執行一個形如function...end　這樣的表達式時，它就會創建一個新的數據對象，其中包含了相應函數原型的引用、環境(environment，用來查找全局變量的表)的引用以及一個由所有upvalue引用組成的數組，而這個數據對象就稱為閉包。由此可見，函數是編譯期概念，是靜態的，而閉包是運行期概念，是動態的。g1和g2的值嚴格來說不是函數而是閉包，並且是兩個不相同的閉包，而每個閉包可以保有自己的upvalue值，所以g1和g2打印出的結果當然就不一樣了。雖然閉包和函數是本質不同的概念，但為了方便，且在不引起混淆的情況下，我們對它們不做區分。
　　

用用簡單的話來說upvalue：（也許不太嚴格，只為快速理解）

upvalue：嵌套函數的外部函數的局部變量
function func(a)           -- 這個函數返回值是一個函數
    return function ()
        a = a + 1            -- 這裏可以訪問外部函數func的局部變量a，這個變量a就是upvalue
        return a 
    end
end
閉包：一個匿名函數加上其可訪問的upvalue

　　使用upvalue很方便，但它們的語義也很微妙，需要引起註意。比如將f1函數改成：
　　
　　function　f1(n)
　　local　function　f2()
　　print(n)
　　end
　　n　=　n　+　10
　　return　f2
　　end
　　
　　g1　=　f1(1979)
　　g1()　--　打印出1989
　　
　　內嵌函數定義在n　=　n　+　10這條語句之前，可為什麽g1()打印出的卻是1989？upvalue實際是局部變量，而局部變量是保存在函數堆棧框架上(stack　frame)的，所以只要upvalue還沒有離開自己的作用域，它就一直生存在函數堆棧上。這種情況下，閉包將通過指向堆棧上的upvalue的引用來訪問它們，一旦upvalue即將離開自己的作用域(這也意味著它馬上要從堆棧中消失)，閉包就會為它分配空間並保存當前的值，以後便可通過指向新分配空間的引用來訪問該upvalue。當執行到f1(1979)的n　=　n　+　10時，閉包已經創建了，但是n並沒有離開作用域，所以閉包仍然引用堆棧上的n，當return　f2完成時，n即將結束生命，此時閉包便將n(已經是1989了)復制到自己管理的空間中以便將來訪問。弄清楚了內部的秘密後，運行結果就不難解釋了。
　　
　　upvalue還可以為閉包之間提供一種數據共享的機制。試看下例：
　　
　　function　Create(n)
　　local　function　foo1()
　　print(n)
　　end
　　
　　local　function　foo2()
　　n　=　n　+　10
　　end
　　
　　return　foo1,foo2
　　end
　　
　　f1,f2　=　Create(1979)
　　f1()　--　打印1979
　　f2()
　　f1()　--　打印1989
　　f2()
　　f1()　--　打印1999
　　
　　f1,f2這兩個閉包的原型分別是Create中的內嵌函數foo1和foo2，而foo1和foo2引用的upvalue是同一個，即Create的局部變量n。前面已說過，執行完Create調用後，閉包會把堆棧上n的值復制出來，那麽是否f1和f2就分別擁有一個n的拷貝呢？其實不然，當Lua發現兩個閉包的upvalue指向的是當前堆棧上的相同變量時，會聰明地只生成一個拷貝，然後讓這兩個閉包共享該拷貝，這樣任一個閉包對該upvalue進行修改都會被另一個探知。上述例子很清楚地說明了這點：每次調用f2都將upvalue的值增加了10，隨後f1將更新後的值打印出來。upvalue的這種語義很有價值，它使得閉包之間可以不依賴全局變量進行通訊，從而使代碼的可靠性大大提高。
　　
　　閉包在創建之時其upvalue就已經不在堆棧上的情況也有可能發生，這是因為內嵌函數可以引用更外層外包函數的局部變量：
　　
　　function　Test(n)
　　local　function　foo()
　　local　function　inner1()
　　print(n)
　　end
　　local　function　inner2()
　　n　=　n　+　10
　　end
　　return　inner1,inner2
　　end
　　return　foo
　　end
　　
　　t　=　Test(1979)
　　f1,f2　=　t()
　　f1()　　　　　　　　--　打印1979
　　f2()
　　f1()　　　　　　　　--　打印1989
　　g1,g2　=　t()
　　g1()　　　　　　　　--　打印1989
　　g2()
　　g1()　　　　　　　　--　打印1999
　　f1()　　　　　　　　--　打印1999
　　
　　執行完t　=　Test(1979)後，Test的局部變量n就“死”了，所以當f1,f2這兩個閉包被創建時堆棧上根本找不到n的蹤影，這叫它們如何取得n的值呢？呵呵，不要忘了Test函數的n不僅僅是inner1和inner2的upvalue，同時它也是foo的upvalue。t　=　Test(1979)之後，t這個閉包一定已經把n妥善保存好了，之後f1、f2如果在當前堆棧上找不到n就會自動到它們的外包閉包(姑且這麽叫)的upvalue引用數組中去找，並把找到的引用值拷貝到自己的upvalue引用數組中。仔細觀察上述代碼，可以判定g1和g2與f1和f2共享同一個upvalue。這是為什麽呢？其實，g1和g2與f1和f2都是同一個閉包(t)創建的，所以它們引用的upvalue(n)實際也是同一個變量，而剛才描述的搜索機制則保證了最後它們的upvalue引用都會指向同一個地方。
　　
　　Lua將函數做為基本類型值並支持詞法定界的特性使得語言具有強大的抽象能力。而透徹認識函數、閉包和upvalue將幫助程序員善用這種能力。

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Lua的function、closure和upvalue