swift进阶十三：闭包

作者: markhetao | 来源:发表于2020-12-24 17:33 被阅读0次

swift进阶学习大纲

在 swift进阶八：闭包 & Runtime & Any等类型中，我们介绍了闭包 捕获变量特性。本节，我们继续了解闭包:

什么是闭包
闭包的结构
逃逸闭包与非逃逸闭包
自动闭包
函数作形参

1. 什么是闭包

来自维基百科的解释：

在计算机科学中，闭包（Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是在支持头等函数的编程语言中实现词法绑定的一种技术。
闭包在实现上是一个结构体，它存储了一个函数（通常是其入口地址）和一个关联的环境（相当于一个符号查找表）

1.1 全局函数

一种特殊的闭包

无捕获变量的全局函数，也属于闭包

func test(){
     print(a)
}

1.2 内嵌函数

也是闭包，会捕获外部变量：
（incrementer是内嵌函数，也是一个闭包，捕获了上层函数的runningTotal）

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
    var runningTotal = 10
    
    // 内嵌函数（也是一个闭包，捕获了runningTotal）
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    
    return incrementer
}

print(makeIncrementer())   // (()-> Int)匿名函数
print(makeIncrementer()()) // Int

打印值：

image.png

1.3 闭包表达式

闭包是一个匿名函数

所有代码都在花括号内

参数和返回类型在in关键字之前

in之后是主体内容：

{ (参数)-> 返回类型 in
    // do something
}

swift的闭包可以当作let 常量、var 变量，也可以当作参数传递。

// 常量
let closure1: (Int) -> Int

// 变量
var closure2 : (Int) -> Int = { (age: Int) in 
     return age
}

// 参数传递
func test(params: ()->Int) {
    print(params())
}

var age = 10
// 执行（尾随闭包）
test { () -> Int in
    age += 1
    return age
}

swift闭包支持可选类型：在()外使用？声明

// 可选值：在()外使用？声明
var closure: ((Int) -> Int)?

1.4 尾随闭包

当闭包表达式作为函数的最后一个参数时，可通过尾随闭包的书写方式来提高代码的可读性：

func test(_ a: Int, _ b: Int, _ c: Int, by: (_ item1: Int, _ item: Int, _ item3: Int) -> Bool) -> Bool{
    return by(a, b, c)
}

// 常规写法
test(10, 20, 30, by: { (_ itme1: Int, _ itme2: Int, _ itme3: Int) -> Bool in
    return itme1 + itme2 < itme3
})

// 快捷写法(小括号提到最后一个参数前)
test(10, 20, 30) { (_ itme1: Int, _ itme2: Int, _ itme3: Int) -> Bool in
    return itme1 + itme2 < itme3
}

// 最简洁写法 (入参直接使用$0 $1 $2代替，单行代码可省略return)
test(10, 20, 30) { $0 + $1 < $2 }

可以看到，最简洁的写法看上去非常舒服，语义表达清晰

闭包表达式是swift的语法。使用闭包表达式可以更简洁的传递信息。好处多多：

利用上下文推断参数和返回类型

单表达式可以隐式返回，省略return关键字

参数名称可以直接使用简写(如$0,$1,元组的$0.0)

尾随闭包可以更简洁的表达

var array = [1, 2, 3]

// 1. 常规写法
array.sort(by: {(item1 : Int, item2: Int) -> Bool in return item1 < item2 })

// 2. 省略类型 （根据上下文,可自动推断参数类型）
array.sort(by: {(item1, item2) -> Bool in return item1 < item2 })

// 3. 省略返回类型 （根据上下文，可自动推断返回类型）
array.sort(by: {(item1, item2) in return item1 < item2 })

// 4. 省略return (单行表达式，可省略return)
array.sort{(item1, item2) in item1 < item2 }

// 5. 参数简写 (使用$0 $1，按位置顺序获取参数)
array.sort{ return $0 < $1 }

// 6. 省略return (单行表达式，可省略return)
array.sort{ $0 < $1 }

// 7. 使用高阶函数，传递排序规则
array.sort(by: <)

2. 闭包的结构

我们使用变量记录闭包，发现内部属性也被记录了。
(下面runningTotal被记录，多次打印时，runningTotal结果不一样。
如果直接调用闭包，会发现runningTotal结果一样)

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
    var runningTotal = 10
    
    // 内嵌函数（也是一个闭包，捕获了runningTotal）
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    
    return incrementer
}

// 函数变量 （存储格式是怎样？）
var makeInc = makeIncrementer()

print(makeInc()) // 打印: 11
print(makeInc()) // 打印: 12
print(makeInc()) // 打印: 13

print(makeIncrementer()()) // 打印: 11
print(makeIncrementer()()) // 打印: 11
print(makeIncrementer()()) // 打印: 11

Q: 把函数赋值给变量，变量存储的是函数地址还是什么？

在SIL中看不到makeInc的结构：

image.png

我们再往后一层，直接查看ir代码：

拓展IR与IR语法:

image.png
Swift编译流程

将swift源码编译为AST语法树
swiftc -dump-ast HTPerson.swift > ast.swift

生成SIL源码
swiftc -emit-sil HTPerson.swift > ./HTPerson.sil

生成IR中间代码
swiftc -emit-ir HTPerson.swift > ir.swift

输出.o机器文件
swiftc -emit-object HTPerson.swift

ir语法 👉 官方文档

数组

[<elementnumber> x <elementtype>]  // [数组梳理 x 数组类型]
// example
alloca[24 x i8]，align8 // 24个i8都是0

结构体

%swift.refcounted = type { %swift.type*, i64 }   // { 指针类型，类型}
// example
%T = type {<type list>}  // 和C语言结构体类似

指针类型

<type> *
// example
i64*    // 64位的整形

getelementptr指针别名
可通过getelementptr读取数组和结构体的成员:

<result> = getelementptr <ty>, <ty>* <ptrval> {, [inrange] <ty> <id x>}*
<result> = getelementptr inbounds <ty>, <ty>* <ptrval>{, [inrange] <ty> <idx>}*

getelementptr的读取案例：
（创建一个c语言工程，main.c中加入测试代码）
// example
struct munger_struct {
        int f1;
        int f2;
};

void munge(struct munger_struct *p) { 
   p[0].f1 = p[1].f1 + p[2].f2;  // 假设P是有3个元素的数组。就可以直接通过下标读取
}
 
struct munger_struct array[3];

int main(int argc, const char * argv[]) {
   munge(array); //调用
   return 0;
}
LLVM中，C语言需要使用Clang输出IR文件:
clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.c
image.png

熟悉了IR语法后，回到这个代码：

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
    var runningTotal = 10
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    return incrementer
}
// 函数变量 （存储格式是怎样？）
var makeInc = makeIncrementer()

输出IR文件，分析结构：

image.png
按照IR分析的代码，我们自定义结构，读取函数指针地址和内部属性值：

由于无法直接读取()-> Int函数的地址，所以利用结构体地址就是首元素地址的特性，将函数设为结构体第一个属性。通过读取结构体指针地址，获取到函数地址

struct FunctionData<T> {
    var pointer: UnsafeRawPointer
    var captureValue: UnsafePointer<T>
}

struct Refcounted {
    var pointer: UnsafeRawPointer
    var refCount: Int64
}

struct Type {
    var type: Int64
}

struct Box<T> {
    var refcounted: Refcounted
    var value: T  // 8字节类型，可由外部动态传入
}

struct BoxMetadata<T> {
    var refcounted: UnsafePointer<Refcounted>
    var undefA: UnsafeRawPointer
    var type: Type
    var undefB: Int32
    var undefC: UnsafeRawPointer
}

// 由于无法直接读取`()-> Int`函数的地址，所以利用结构体地址就是首元素地址的特性。将函数设为结构体第一个属性
struct VoidIntFunc {
    var f: ()->Int
}

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
    var runningTotal = 10
    // 内嵌函数（也是一个闭包，捕获了runningTotal）
    func incrementer() -> Int {
        runningTotal += 1
        return runningTotal
    }
    
    return incrementer
}

// 使用struct包装的函数
var makeInc = VoidIntFunc(f: makeIncrementer())

// 读取指针
let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFunc>.allocate(capacity: 1)

// 初始化
ptr.initialize(to: makeInc)

// 将指针绑定为FunctionData<Box<Int>>类型,返回指针
let context = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box<Int>>.self, capacity: 1) { $0.pointee }

// 打印指针值 与 内部属性值
print(context.pointer)   // 打印 0x00000001000054b0
print(context.captureValue.pointee.value) // 打印  10

image.png

验证打印的函数地址是否是makeIncrementer函数：

image.png
打开终端，输入命令：nm -p 编译后的machO文件地址 | grep 函数地址
// 例如：
nm -p /Users/asetku/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bhpsxmnrzusvmeaotyclgmelcxpp/Build/Products/Debug/Demo | grep 00000001000054b0
可以看到，该地址正是函数的地址
image.png

使用xcrun swift-demangle XXXX命令，还原函数名
image.png

所以：
函数事故引用类型，被赋值的变量记录了函数地址。
函数内的变量，会alloc开辟空间，调用前后，会retain和release管理引用计数

拓展：如果函数内部多个属性，结构是怎样呢？

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
   var aa = 10
   var bb = 20
   // 内嵌函数（也是一个闭包，捕获了runningTotal）
   func incrementer() -> Int {
       aa += 6
       bb += 9
       return bb
   }
   return incrementer
}
var makeInc = makeIncrementer()

基础结构没有变化

image.png
相比起单变量，多了一个临时结构,把两个变量分别用指针记录：

image.png

struct FunctionData<T> {
   var pointer: UnsafeRawPointer
   var captureValue: UnsafePointer<T>
}

struct Refcounted {
   var pointer: UnsafeRawPointer
   var refCount: Int64
}

struct Type {
   var type: Int64
}

struct Box<T> {
   var refcounted: Refcounted
   var value: T  // 8字节类型，可由外部动态传入
}

// 多了一个Box2结构，每个变量都是`Box`结构的对象
struct Box2<T> {
   var refcounted: Refcounted
   var value1: UnsafePointer<Box<T>>
   var value2: UnsafePointer<Box<T>>
}

struct BoxMetadata<T> {
   var refcounted: UnsafePointer<Refcounted>
   var undefA: UnsafeRawPointer
   var type: Type
   var undefB: Int32
   var undefC: UnsafeRawPointer
}

// 由于无法直接读取`()-> Int`函数的地址，所以利用结构体地址就是首元素地址的特性。将函数设为结构体第一个属性
struct VoidIntFunc {
   var f: ()->Int
}

func makeIncrementer() -> (()-> Int){
  var aa = 10
  var bb = 20
  // 内嵌函数（也是一个闭包，捕获了runningTotal）
  func incrementer() -> Int {
      aa += 6
      bb += 9
      return bb
  }
  return incrementer
}

// 使用struct包装的函数
var makeInc = VoidIntFunc(f: makeIncrementer())

// 读取指针
let ptr = UnsafeMutablePointer<VoidIntFunc>.allocate(capacity: 1)

// 初始化
ptr.initialize(to: makeInc)

// 将指针绑定为FunctionData<Box<Int>>类型,返回指针
let context = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<Box2<Int>>.self, capacity: 1) { $0.pointee }

// 打印指针值 与 两个内部属性值
print(context.pointer)   // 打印： 0x00000001000050c0
print(context.captureValue.pointee.value1.pointee.value) // 打印：10
print(context.captureValue.pointee.value2.pointee.value) // 打印： 20

image.png

在MachO文件中校验函数地址的值,确定是makeIncrementer函数：
image.png

3. 逃逸闭包与非逃逸闭包

逃逸闭包：
当闭包作为一个实际参数传递给一个函数，且在函数返回之后调用，我们就说这个闭包逃逸了。
(逃逸闭包作为函数形参时，需要使用@escaping声明，生命周期比函数要长。如：被外部变量持有或异步延时调用)
非逃逸闭包：
系统默认闭包参数是@nonescaping声明, 是非逃逸闭包，生命周期与被调用的函数保持一致。

3.1 逃逸闭包

闭包被函数外变量持有，需要@escaping声明为逃逸闭包
闭包被异步线程延时调用，需要@escaping声明为逃逸闭包

class HTPerson {
    
    var completion: ((Int)->Void)?
    
    func test1(handler: @escaping (Int)->Void) {
        
        // 1. 外部变量持有handler，handler的生命周期逃到了`makeIncrementer`函数外
        self.completion = handler
    }
    
    func test2(handler: @escaping (Int)->Void) {
        
        // 2. 异步线程延时调用handler，handler的生命周期逃到了`makeIncrementer`函数外
        DispatchQueue.global().asyncAfter(deadline: .now() + 2) {
            handler(10)
        }
    }
    
}

3.2 非逃逸闭包

系统默认闭包为非逃逸闭包 ,编译期自动加上@noescape声明，生命周期与函数一致。

func test(closure: (()->())) {}

SIL编译可以看到默认使用@noescape声明闭包：
image.png

4. 自动闭包

自动闭包：自动识别闭包返回值，可直接接收返回值类型数据。
需要用@autoclosure声明，不接收任何参数，返回值是当前内部表达式的值（如()->String)

// 自动闭包`@autoclosure`声明
func testPrint(_ message: @autoclosure ()->String) {
    print(message())
}

func doSomeThing() -> String {
    return "吃了吗？"
}
// 入参传`函数`
testPrint(doSomeThing()) 
// 入参传`字符串`
testPrint("干啥呢")

可以看到，使用自动闭包时，参数可以是函数，也可以是闭包返回类型（字符串）.
自动闭包可以兼容函数入参类型（函数/函数返参类型）

5. 函数作形参

当函数作为参数进行传递时，可节省计算量，在合适时期再执行。
普通函数：
doSomeThing是一个耗时操作，计算结果传给testPrint时，testPrint由于条件不满足，压根没用到这个耗时操作的结果。

func testPrint(_ condition: Bool, _ message: String) {
    if condition {
        print("错误信息: \(message)")
    }
    print("结束")
}

func doSomeThing() -> String {
    print("执行了")
    // 耗时操作，从0到1000拼接成字符串
    return (0...1000).reduce("") { $0 + " \($1)"}
}

testPrint(false, doSomeThing())

image.png

使用函数作为入参：
入参直接传入函数，未满足条件时，不会执行函数，避开了耗时操作

func testPrint(_ condition: Bool, _ message: ()->String) {
    if condition {
        print("错误信息: \(message())")
    }
    print("结束")
}

func doSomeThing() -> String {
    print("执行了")
    // 耗时操作，从0到1000拼接成字符串
    return (0...1000).reduce("") { $0 + " \($1)"}
}

testPrint(false, doSomeThing())

image.png

注意

上述只是演示函数作为入参，没有或单次调用时，可延时在合适时期调用，避免资源提前计算。

但如果该资源会被多次调用，还是提前计算资源才节省资源。

至此，我们对闭包有了完整认识。下一节介绍Optional & Equatable & 访问控制

swift进阶十三：闭包

1. 什么是闭包

1.1 全局函数

1.2 内嵌函数

1.3 闭包表达式

1.4 尾随闭包

2. 闭包的结构

3. 逃逸闭包与非逃逸闭包

3.1 逃逸闭包

3.2 非逃逸闭包

4. 自动闭包

5. 函数作形参

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