Domknięcie - Jak to działa?

Home

Domknięcie (ang. Closure) to cecha języków programowania, która pozwala funkcji odwołać się to zmiennych zdefiniowanych poza jej ciałem. Domknięciem nazywa się również obiekt (byt) wiążący funkcję z środowiskiem jej wykonania. Oczywiście chodzi o zmienne inne niż globalne. Takie powiązane zmienne w języku angielskim określane są mianem bound variables. Przykład domknięcia został przedstawiony poniżej. Proponuję przyjrzeć się temu kodowi i odpowiedzieć co zostanie wypisane na ekran. W dalszej części posta będę używał terminu metoda zamiast funkcja, który bardziej pasuje do obiektowego języka jakim jest C#.

delegate void Fun();
...
List array = new List();
for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
  array.Add(delegate() { Console.WriteLine(i); });
}

for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
  array[i]();
}

Implementacja domknięcia zależy od konkretnego języka programowania. Mnie oczywiście zaciekawiło jak to zostało zrealizowane w C# i tym zajmę sie w tym poście. W rozwiązaniu zagadki pomógł oczywiście reflektor Lutz Roeder’s Reflector, o którym wspominałem już wcześniej.

Implementacja domknięcia w języku C# bazuje na automatycznie generowanej przez kompilator klasie. Klasa ta zawiera kod metody oraz powiązane z nią zmienne. Dla naszego przykładu klasa ta będzie wyglądać jak poniżej:

[CompilerGenerated]
private sealed class DisplayClass
{
  public int i;

  public void b_0()
  {
    Console.WriteLine(this.i);
  }
}

Kod zmieniłem tak aby był bardziej czytelny. Jak widać wygenerowana klasa jest trywialna. Zawiera jedną metodę, której zawartości odpowiada zawartości zdefiniowanej przez nas anonimowej metody oraz jedno publiczne pole, które stanowi nic innego jak powiązaną zmienną. No dobrze, ale kto korzysta z wygenerowanej klasy i kto ustawia wartość publicznego pola i. Odpowiedź nasuwa się sama - oczywiście kompilator. A jak? Zostało to schematycznie przedstawione poniżej:

DisplayClass d = new DisplayClass();

List array = new List();
for (d.i = 0; d.i < 5; ++d.i)
{
  array.Add(d.b_0);
}

for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
  array[i]();
}

Kod ten może trochę dziwić. Od razu nasuwa się pytanie, czemu utworzono tylko jedną instancję automatycznie wygenerowanej klasy? Wszystko się jednak zgadza. Domknięcie działa w ten sposób, że anonimowa metoda ma dostęp do wartości zmiennej powiązanej z czasu jej wykonywania, a nie z czasu kiedy została utworzona. Nie trudno zauważyć, że w momencie wywoływania metody wartość zmiennej i wynosi 5. Odpowiedź na postawione przeze mnie wcześniej pytanie brzmi, więc: Na ekran zostanie wypisany ciąg: 5 5 5 5 5. Poniżej podaję sposób w jaki osiągnąć bardziej intuicyjny efekt wypisania na ekran ciągu: 0 1 2 3 4. Należy tylko zmodyfikować pierwszą pętlę:

for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
  int j = i;
  array.Add(delegate() { Console.WriteLine(j); });
}

Dla takiego przypadku kod wygenerowany przez kompilator będzie już inny. W szczególności zostanie utworzonych 5 instancji klasy DisplayClass, a nie jedna jak w poprzednim wypadku.

Przykład omówiony przeze mnie jest bardzo prosty. W bardziej skomplikowanych przypadkach sprawa nie jest już tak prosta ale koncepcja implementacji domknięcia pozostaje taka sama.