有朋友好奇为什么将 闭包
归于语法糖,这里简单声明下,C# 中的所有闭包最终都会归结于 类
和 方法
,为什么这么说,因为 C# 的基因就已经决定了,如果大家了解 CLR 的话应该知道, C#中的类
最终都会用 MethodTable
来承载,方法都会用 MethodDesc
来承载, 所以不管你怎么玩都逃不出这三界之内。
这篇我们就来聊聊C#中的闭包底层原理及玩法,表面上的概念就不说了哈。
一:普通闭包玩法
1. 案例演示
放了方便说明,先上一段测试代码:
static void Main(string[] args)
{
int y = 10;
Func<int, int> sum = x =>
{
return x + y;
};
Console.WriteLine(sum(11));
}
刚才也说了,C#的基因决定了最终会用 class
和 method
对 闭包
进行面向对象改造,那如何改造呢? 这里有两个问题:
- 匿名方法如何面向对象改造
方法
不能脱离 类
而独立存在,所以 编译器
必须要为其生成一个类,然后再给匿名方法配一个名字即可。
- 捕获到的 y 怎么办
捕获是一个很抽象
的词,一点都不接底气,这里我用 面向对象
的角度来解读一下,这个问题本质上就是 栈变量
和 堆变量
混在一起的一次行为冲突,什么意思呢?
- 栈变量
大家应该知道 栈变量
所在的帧空间是由 esp
和 ebp
进行控制,一旦方法结束,esp 会往回收缩造成局部变量从栈中移除。
- 堆变量
委托是一个引用类型,它是由 GC 进行管理回收,只要它还被人牵着,自然就不会被回收。
到这里我相信你肯定发现了一个严重的问题, 一旦 sum
委托逃出了方法,这时局部变量 y 肯定会被销毁,如果真的被销毁了, 后续再执行 sum
委托自然就是一个巨大的bug,那怎么办呢?
编译器自然早就考虑到了这种情况,它在进行面向对象改造的时候,特意为 类
定义了一个 public
类型的字段,用这个字段来承载这个局部变量。
2. 手工改造
有了这些多前置知识,我相信你肯定会知道如何改造了,参考代码如下:
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
int y = 10;
//Func<int, int> sum = x =>
//{
// return x + y;
//};
//面向对象改造
FuncClass funcClass = new FuncClass() { y = y };
Func<int, int> sum = funcClass.Run;
Console.WriteLine(sum(11));
}
}
public class FuncClass
{
public int y;
public int Run(int x)
{
return x + y;
}
}
如果你不相信的话,可以看下 MSIL
代码。
.method private hidebysig static
void Main (
string[] args
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x2050
// Code size 43 (0x2b)
.maxstack 2
.entrypoint
.locals init (
[0] class ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0' 'CS$<>8__locals0',
[1] class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32> sum
)
IL_0000: newobj instance void ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::.ctor()
IL_0005: stloc.0
IL_0006: nop
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldc.i4.s 10
IL_000a: stfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::y
IL_000f: ldloc.0
IL_0010: ldftn instance int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'(int32)
IL_0016: newobj instance void class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32>::.ctor(object, native int)
IL_001b: stloc.1
IL_001c: ldloc.1
IL_001d: ldc.i4.s 11
IL_001f: callvirt instance !1 class [System.Runtime]System.Func`2<int32, int32>::Invoke(!0)
IL_0024: call void [System.Console]System.Console::WriteLine(int32)
IL_0029: nop
IL_002a: ret
} // end of method Program::Main
.class nested private auto ansi sealed beforefieldinit '<>c__DisplayClass0_0'
extends [System.Runtime]System.Object
{
.custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor() = (
01 00 00 00
)
// Fields
.field public int32 y
// Methods
.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor () cil managed
{
// Method begins at RVA 0x2090
// Code size 8 (0x8)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void [System.Runtime]System.Object::.ctor()
IL_0006: nop
IL_0007: ret
} // end of method '<>c__DisplayClass0_0'::.ctor
.method assembly hidebysig
instance int32 '<Main>b__0' (
int32 x
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x209c
// Code size 14 (0xe)
.maxstack 2
.locals init (
[0] int32
)
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.1
IL_0002: ldarg.0
IL_0003: ldfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::y
IL_0008: add
IL_0009: stloc.0
IL_000a: br.s IL_000c
IL_000c: ldloc.0
IL_000d: ret
} // end of method '<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'
} // end of class <>c__DisplayClass0_0
二:循环下闭包玩法
为了方便说明,还是先上一段代码。
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = () => Console.WriteLine(i);
}
foreach (var item in actions) item();
}
然后把代码跑起来:
我相信有非常多的朋友都踩过这个坑,那为什么会出现这样的结果呢? 我试着从原理上解读一下。
1. 原理解读
根据前面所学的 面向对象
改造法,我相信大家肯定会很快改造出来,参考代码如下:
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
//actions[i] = () => Console.WriteLine(i);
//改造后
var funcClass = new FuncClass() { i = i };
actions[i] = funcClass.Run;
}
foreach (var item in actions) item();
}
}
public class FuncClass
{
public int i;
public void Run()
{
Console.WriteLine(i);
}
}
然后跑一下结果:
真奇葩,我们的改造方案一点问题都没有,咋 编译器
就弄不对呢?要想找到案例,只能看 MSIL 啦,简化后如下:
IL_0001: ldc.i4.s 10
IL_0003: newarr [System.Runtime]System.Action
IL_0008: stloc.0
IL_0009: newobj instance void ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::.ctor()
IL_000e: stloc.1
IL_000f: ldloc.1
IL_0010: ldc.i4.0
IL_0011: stfld int32 ConsoleApp1.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::i
IL_0016: br.s IL_003e
// loop start (head: IL_003e)
IL_0018: nop
IL_0019: ldloc.0
...
// end loop
如果有兴趣大家可以看下完整版,它的实现方式大概是这样的。
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
var funcClass = new FuncClass();
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = funcClass.Run;
funcClass.i = i + 1;
}
foreach (var item in actions) item();
}
原来问题就出在了它只 new 了一次,同时 for 循环中只是对 i
进行了赋值,导致了问题的发生。
2. 编译器的想法
为什么编译器会这么改造代码,我觉得可能基于下面两点。
- 不想 new 太多的类实例
new一个对象,其实并没有大家想象的那么简单,在 clr 内部会分 快速路径
和 慢速路径
,同时还为此导致 GC 回收,为了保存一个变量
需要专门 new 一个实例,这代价真的太大了。。。
- 有更好的解决办法
更好的办法就是用 方法参数
,方法的字节码是放置在 CLR 的 codeheap 上,独此一份,同时方法参数只是在栈
上多了一个存储空间而已,这代价就非常小了。
三: 代码改造
知道编译器的苦衷后,改造起来就很简单了,大概有如下两种。
1. 强制 new 实例
这种改造法就是强制在每次 for 中 new 一个实例来承载 i
变量,参考代码如下:
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
var j = i;
actions[i] = () => Console.WriteLine(j);
}
foreach (var item in actions) item();
}
2. 采用方法参数
为了能够让 i 作为方法参数,只能将 Action
改成 Action<int>
,虽然你可能要为此掉头发,但对程序性能来说是巨大的,参考代码如下:
static void Main(string[] args)
{
var actions = new Action<int>[10];
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i] = (j) => Console.WriteLine(j);
}
for (int i = 0; i < actions.Length; i++)
{
actions[i](i);
}
}
好了,洋洋洒洒写了这么多,希望对大家有帮助。
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