How C# Implements Closure

How C# Implements Closure

12月 27, 2008, 9:39 上午
Filed under: 技术体会

从2.0版本开始，C#开始支持Closure的概念，但是可能很多C#程序员还不知道何为Closure，即使曾经用过。了解事情就要了解事情的本质，看看C#到底怎么实现对Closure的支持的。

在Wikipedia上，Clousre是这么定义的：

“In computer science, a closure is a function that is evaluated in an environment containing one or more bound variables. When called, the function can access these variables. ”

我觉得这样的定义中用了“function”这个词不大合适，用"code block"也许更恰当。特定于C#来说，Closure就是一段code block，这段code block是一个anonymous method或者lambda expression，而且，这段code block还可以访问它所在block的变量。奇妙的地方是，Closure不一定在所在block中运行，但是依然能够访问所在block中的变量。看代码例子最清楚了

class Program

{

    public static Action GetAction(int arg)

    {

        int x = arg;

        Action action =

            delegate()

            { // this is a closure

                Console.WriteLine(x);

            };

        return action;

    }

    public static void Main(string[] args)

    {

        Action action = GetAction(13);

        action(); // this is where the closure actually get executed

    }

}

上面的Code编译运行正常，输出13。在GetAction方法中有一段anonymous method，这就是一个Closure，你看它访问了GetAction中的“局部变量”x（这个“局部变量”需要打上引号，下面会介绍为什么），而这段Closure实际上不是在GetAction中执行的，GetAction将这个Closure作为一个Action返回了，在Main函数中，这个Closure才得以执行，也就是说在Main函数中，GetAction中的“局部变量”x才得到访问。

我相信大部分C#程序员都写过类似的code，但是不知道是否都想过，为什么一个“局部变量”会变得不“局部”了，按照常理，x既然是GetAction中的局部变量，是不可能在GetAction函数之外被访问的。这是因为C#支持Closure这个概念，为了支持这个概念，C#编译器会自动产生一些你看不到的code，要看到这些code，用Red Gate’s Reflector是不行的，因为这个Reflector足够聪明，把自动产生的code变回和我们写的code一模一样，要了解C#编译器搞了什么鬼，需要动用ILDASM.exe，虽然看到的是IL代码，但是我们还是能过推出C#编译器做的工作。C#把上面的code实际上变成了类似下面的样子再编译。

class Program

{

    private sealed class <c>__DisplayClass1

    {

        public int x;

        public void <GetAction>b__0()

        {

            Console.WriteLine(x);

        }

    }

    public static Action GetAction(int arg)

    {

        var captured = new <c>__DisplayClass1();

        captured.x = arg;

        Action action = captured.<GetAction>b__0;

        return action;

    }

    public static void Main(string[] args)

    {

        Action action = GetAction(13);

        action(); 

    }

}

可以看到，C#编译器产生了一个新的nested class叫<c>__DisplayClass1，这个nested class中有一个就是Closure内容的方法叫<GetAction>b__0，光看这两个古玲精怪的标识符就知道这肯定是C#编译自自动产生的名字了（实际上上面的code是没法编译的，因为标识符中不能包含"<"和">"字符，这么写是因为C#编译器产生的就是这两个名字），<c>__DisplayClass1还有一个public的data member叫x。

现在，C#如何实现Closure就一目了然了，每一个被Closure使用的“局部变量”，因为Closure“抓住”了，所以叫Captured variable，C#必须保证captured variable的life time必须不能比closure短，所以他们实际上不再是局部变量，而是nested class的成员变量，Closure也不能简单地处理为一个static method，而是变成了nested class的一个非静态成员方法，这样它总能访问同属一个class的data member，这样Captured Variable的life time问题就被解决了。

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