本章我們將介紹在JavaScript里大家經(jīng)常來討論的話題 —— 閉包（closure）。閉包其實大家都已經(jīng)談爛了。盡管如此，這里還是要試著從理論角度來討論下閉包，看看ECMAScript中的閉包內(nèi)部究竟是如何工作的。
正如在前面的文章中提到的，這些文章都是系列文章，相互之間都是有關(guān)聯(lián)的。因此，為了更好的理解本文要介紹的內(nèi)容，建議先去閱讀第14章作用域鏈和第12章變量對象。
英文原文：http://dmitrysoshnikov.com/ecmascript/chapter-6-closures/
在直接討論ECMAScript閉包之前，還是有必要來看一下函數(shù)式編程中一些基本定義。
眾所周知，在函數(shù)式語言中（ECMAScript也支持這種風格），函數(shù)即是數(shù)據(jù)。就比方說，函數(shù)可以賦值給變量，可以當參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，還可以從函數(shù)里返回等等。這類函數(shù)有特殊的名字和結(jié)構(gòu)。
A functional argument (“Funarg”) — is an argument which value is a function.
函數(shù)式參數(shù)（“Funarg”） —— 是指值為函數(shù)的參數(shù)。
例子：
function exampleFunc(funArg) {
funArg();
}
exampleFunc(function () {
alert('funArg');
});
上述例子中funarg的實際參數(shù)其實是傳遞給exampleFunc的匿名函數(shù)。
反過來，接受函數(shù)式參數(shù)的函數(shù)稱為高階函數(shù)（high-order function 簡稱：HOF）。還可以稱作：函數(shù)式函數(shù)或者偏數(shù)理或操作符。上述例子中，exampleFunc 就是這樣的函數(shù)。
此前提到的，函數(shù)不僅可以作為參數(shù)，還可以作為返回值。這類以函數(shù)為返回值的函數(shù)稱為帶函數(shù)值的函數(shù)（functions with functional value or function valued functions）。
(function functionValued() {
return function () {
alert('returned function is called');
};
})()();
可以以正常數(shù)據(jù)形式存在的函數(shù)（比方說：當參數(shù)傳遞，接受函數(shù)式參數(shù)或者以函數(shù)值返回）都稱作 第一類函數(shù)（一般說第一類對象）。在ECMAScript中，所有的函數(shù)都是第一類對象。
函數(shù)可以作為正常數(shù)據(jù)存在（例如：當參數(shù)傳遞，接受函數(shù)式參數(shù)或者以函數(shù)值返回）都稱作第一類函數(shù)（一般說第一類對象）。
在ECMAScript中，所有的函數(shù)都是第一類對象。
接受自己作為參數(shù)的函數(shù)，稱為自應用函數(shù)（auto-applicative function 或者 self-applicative function）：
(function selfApplicative(funArg) {
if (funArg && funArg === selfApplicative) {
alert('self-applicative');
return;
}
selfApplicative(selfApplicative);
})();
以自己為返回值的函數(shù)稱為自復制函數(shù)（auto-replicative function 或者 self-replicative function）。通常，“自復制”這個詞用在文學作品中：
(function selfReplicative() {
return selfReplicative;
})();
自復制函數(shù)的其中一個比較有意思的模式是讓僅接受集合的一個項作為參數(shù)來接受從而代替接受集合本身。
// 接受集合的函數(shù)
function registerModes(modes) {
modes.forEach(registerMode, modes);
}
// 用法
registerModes(['roster', 'accounts', 'groups']);
// 自復制函數(shù)的聲明
function modes(mode) {
registerMode(mode); // 注冊一個mode
return modes; // 返回函數(shù)自身
}
// 用法，modes鏈式調(diào)用
modes('roster')('accounts')('groups')
//有點類似：jQueryObject.addClass("a").toggle().removClass("b")
但直接傳集合用起來相對來說，比較有效并且直觀。
在函數(shù)式參數(shù)中定義的變量，在“funarg”激活時就能夠訪問了（因為存儲上下文數(shù)據(jù)的變量對象每次在進入上下文的時候就創(chuàng)建出來了）：
function testFn(funArg) {
// funarg激活時, 局部變量localVar可以訪問了
funArg(10); // 20
funArg(20); // 30
}
testFn(function (arg) {
var localVar = 10;
alert(arg + localVar);
});
然而，我們從第14章知道，在ECMAScript中，函數(shù)是可以封裝在父函數(shù)中的，并可以使用父函數(shù)上下文的變量。這個特性會引發(fā)funarg問題。
在面向堆棧的編程語言中，函數(shù)的局部變量都是保存在棧上的，每當函數(shù)激活的時候，這些變量和函數(shù)參數(shù)都會壓入到該堆棧上。
當函數(shù)返回的時候，這些參數(shù)又會從棧中移除。這種模型對將函數(shù)作為函數(shù)式值使用的時候有很大的限制（比方說，作為返回值從父函數(shù)中返回）。絕大部分情況下，問題會出現(xiàn)在當函數(shù)有自由變量的時候。
自由變量是指在函數(shù)中使用的，但既不是函數(shù)參數(shù)也不是函數(shù)的局部變量的變量
例子：
function testFn() {
var localVar = 10;
function innerFn(innerParam) {
alert(innerParam + localVar);
}
return innerFn;
}
var someFn = testFn();
someFn(20); // 30
上述例子中，對于innerFn函數(shù)來說，localVar就屬于自由變量。
對于采用面向棧模型來存儲局部變量的系統(tǒng)而言，就意味著當testFn函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，其局部變量都會從堆棧中移除。這樣一來，當從外部對innerFn進行函數(shù)調(diào)用的時候，就會發(fā)生錯誤（因為localVar變量已經(jīng)不存在了）。
而且，上述例子在面向棧實現(xiàn)模型中，要想將innerFn以返回值返回根本是不可能的。因為它也是testFn函數(shù)的局部變量，也會隨著testFn的返回而移除。
還有一個問題是當系統(tǒng)采用動態(tài)作用域，函數(shù)作為函數(shù)參數(shù)使用的時候有關(guān)。
看如下例子（偽代碼）：
var z = 10;
function foo() {
alert(z);
}
foo(); // 10 – 使用靜態(tài)和動態(tài)作用域的時候
(function () {
var z = 20;
foo(); // 10 – 使用靜態(tài)作用域, 20 – 使用動態(tài)作用域
})();
// 將foo作為參數(shù)的時候是一樣的
(function (funArg) {
var z = 30;
funArg(); // 10 – 靜態(tài)作用域, 30 – 動態(tài)作用域
})(foo);
我們看到，采用動態(tài)作用域，變量（標識符）的系統(tǒng)是通過變量動態(tài)棧來管理的。因此，自由變量是在當前活躍的動態(tài)鏈中查詢的，而不是在函數(shù)創(chuàng)建的時候保存起來的靜態(tài)作用域鏈中查詢的。
這樣就會產(chǎn)生沖突。比方說，即使Z仍然存在（與之前從棧中移除變量的例子相反），還是會有這樣一個問題： 在不同的函數(shù)調(diào)用中，Z的值到底取哪個呢（從哪個上下文，哪個作用域中查詢）？
上述描述的就是兩類funarg問題 —— 取決于是否將函數(shù)以返回值返回（第一類問題）以及是否將函數(shù)當函數(shù)參數(shù)使用（第二類問題）。
為了解決上述問題，就引入了 閉包的概念。
閉包是代碼塊和創(chuàng)建該代碼塊的上下文中數(shù)據(jù)的結(jié)合。
讓我們來看下面這個例子（偽代碼）：
var x = 20;
function foo() {
alert(x); // 自由變量"x" == 20
}
// 為foo閉包
fooClosure = {
call: foo // 引用到function
lexicalEnvironment: {x: 20} // 搜索上下文的上下文
};
上述例子中，“fooClosure”部分是偽代碼。對應的，在ECMAScript中，“foo”函數(shù)已經(jīng)有了一個內(nèi)部屬性——創(chuàng)建該函數(shù)上下文的作用域鏈。
“l(fā)exical”通常是省略的。上述例子中是為了強調(diào)在閉包創(chuàng)建的同時，上下文的數(shù)據(jù)就會保存起來。當下次調(diào)用該函數(shù)的時候，自由變量就可以在保存的（閉包）上下文中找到了，正如上述代碼所示，變量“z”的值總是10。
定義中我們使用的比較廣義的詞 —— “代碼塊”，然而，通常（在ECMAScript中）會使用我們經(jīng)常用到的函數(shù)。當然了，并不是所有對閉包的實現(xiàn)都會將閉包和函數(shù)綁在一起，比方說，在Ruby語言中，閉包就有可能是： 一個過程對象（procedure object）, 一個lambda表達式或者是代碼塊。
對于要實現(xiàn)將局部變量在上下文銷毀后仍然保存下來，基于棧的實現(xiàn)顯然是不適用的（因為與基于棧的結(jié)構(gòu)相矛盾）。因此在這種情況下，上層作用域的閉包數(shù)據(jù)是通過 動態(tài)分配內(nèi)存的方式來實現(xiàn)的（基于“堆”的實現(xiàn)），配合使用垃圾回收器（garbage collector簡稱GC）和 引用計數(shù)（reference counting）。這種實現(xiàn)方式比基于棧的實現(xiàn)性能要低，然而，任何一種實現(xiàn)總是可以優(yōu)化的： 可以分析函數(shù)是否使用了自由變量，函數(shù)式參數(shù)或者函數(shù)式值，然后根據(jù)情況來決定 —— 是將數(shù)據(jù)存放在堆棧中還是堆中。
討論完理論部分，接下來讓我們來介紹下ECMAScript中閉包究竟是如何實現(xiàn)的。這里還是有必要再次強調(diào)下：ECMAScript只使用靜態(tài)（詞法）作用域（而諸如Perl這樣的語言，既可以使用靜態(tài)作用域也可以使用動態(tài)作用域進行變量聲明）。
var x = 10;
function foo() {
alert(x);
}
(function (funArg) {
var x = 20;
// 變量"x"在(lexical)上下文中靜態(tài)保存的，在該函數(shù)創(chuàng)建的時候就保存了
funArg(); // 10, 而不是20
})(foo);
技術(shù)上說，創(chuàng)建該函數(shù)的父級上下文的數(shù)據(jù)是保存在函數(shù)的內(nèi)部屬性 [[Scope]]中的。如果你還不了解什么是[[Scope]]，建議你先閱讀第14章, 該章節(jié)對[[Scope]]作了非常詳細的介紹。如果你對[[Scope]]和作用域鏈的知識完全理解了的話，那對閉包也就完全理解了。
根據(jù)函數(shù)創(chuàng)建的算法，我們看到 在ECMAScript中，所有的函數(shù)都是閉包，因為它們都是在創(chuàng)建的時候就保存了上層上下文的作用域鏈（除開異常的情況） （不管這個函數(shù)后續(xù)是否會激活 —— [[Scope]]在函數(shù)創(chuàng)建的時候就有了）：
var x = 10;
function foo() {
alert(x);
}
// foo是閉包
foo: <FunctionObject> = {
[[Call]]: <code block of foo>,
[[Scope]]: [
global: {
x: 10
}
],
... // 其它屬性
};
如我們所說，為了優(yōu)化目的，當一個函數(shù)沒有使用自由變量的話，實現(xiàn)可能不保存在副作用域鏈里。不過，在ECMA-262-3規(guī)范里任何都沒說。因此，正常來說，所有的參數(shù)都是在創(chuàng)建階段保存在[[Scope]]屬性里的。
有些實現(xiàn)中，允許對閉包作用域直接進行訪問。比如Rhino，針對函數(shù)的[[Scope]]屬性，對應有一個非標準的 __parent__屬性，在第12章中作過介紹：
var global = this;
var x = 10;
var foo = (function () {
var y = 20;
return function () {
alert(y);
};
})();
foo(); // 20
alert(foo.__parent__.y); // 20
foo.__parent__.y = 30;
foo(); // 30
// 可以通過作用域鏈移動到頂部
alert(foo.__parent__.__parent__ === global); // true
alert(foo.__parent__.__parent__.x); // 10
這里還要注意的是：在ECMAScript中，同一個父上下文中創(chuàng)建的閉包是共用一個[[Scope]]屬性的。也就是說，某個閉包對其中[[Scope]]的變量做修改會影響到其他閉包對其變量的讀取：
這就是說：所有的內(nèi)部函數(shù)都共享同一個父作用域
var firstClosure;
var secondClosure;
function foo() {
var x = 1;
firstClosure = function () { return ++x; };
secondClosure = function () { return --x; };
x = 2; // 影響 AO["x"], 在2個閉包公有的[[Scope]]中
alert(firstClosure()); // 3, 通過第一個閉包的[[Scope]]
}
foo();
alert(firstClosure()); // 4
alert(secondClosure()); // 3
關(guān)于這個功能有一個非常普遍的錯誤認識，開發(fā)人員在循環(huán)語句里創(chuàng)建函數(shù)（內(nèi)部進行計數(shù)）的時候經(jīng)常得不到預期的結(jié)果，而期望是每個函數(shù)都有自己的值。
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
data[k] = function () {
alert(k);
};
}
data[0](); // 3, 而不是0
data[1](); // 3, 而不是1
data[2](); // 3, 而不是2
上述例子就證明了 —— 同一個上下文中創(chuàng)建的閉包是共用一個[[Scope]]屬性的。因此上層上下文中的變量“k”是可以很容易就被改變的。
activeContext.Scope = [
... // 其它變量對象
{data: [...], k: 3} // 活動對象
];
data[0].[[Scope]] === Scope;
data[1].[[Scope]] === Scope;
data[2].[[Scope]] === Scope;
這樣一來，在函數(shù)激活的時候，最終使用到的k就已經(jīng)變成了3了。如下所示，創(chuàng)建一個閉包就可以解決這個問題了：
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
data[k] = (function _helper(x) {
return function () {
alert(x);
};
})(k); // 傳入"k"值
}
// 現(xiàn)在結(jié)果是正確的了
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2
讓我們來看看上述代碼都發(fā)生了什么？函數(shù)“_helper”創(chuàng)建出來之后，通過傳入?yún)?shù)“k”激活。其返回值也是個函數(shù)，該函數(shù)保存在對應的數(shù)組元素中。這種技術(shù)產(chǎn)生了如下效果： 在函數(shù)激活時，每次“_helper”都會創(chuàng)建一個新的變量對象，其中含有參數(shù)“x”，“x”的值就是傳遞進來的“k”的值。這樣一來，返回的函數(shù)的[[Scope]]就成了如下所示：
data[0].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 0}
];
data[1].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 1}
];
data[2].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 2}
];
我們看到，這時函數(shù)的[[Scope]]屬性就有了真正想要的值了，為了達到這樣的目的，我們不得不在[[Scope]]中創(chuàng)建額外的變量對象。要注意的是，在返回的函數(shù)中，如果要獲取“k”的值，那么該值還是會是3。
順便提下，大量介紹JavaScript的文章都認為只有額外創(chuàng)建的函數(shù)才是閉包，這種說法是錯誤的。實踐得出，這種方式是最有效的，然而，從理論角度來說，在ECMAScript中所有的函數(shù)都是閉包。
然而，上述提到的方法并不是唯一的方法。通過其他方式也可以獲得正確的“k”的值，如下所示：
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
(data[k] = function () {
alert(arguments.callee.x);
}).x = k; // 將k作為函數(shù)的一個屬性
}
// 結(jié)果也是對的
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2
另外一個特性是從閉包中返回。在ECMAScript中，閉包中的返回語句會將控制流返回給調(diào)用上下文（調(diào)用者）。而在其他語言中，比如，Ruby，有很多中形式的閉包，相應的處理閉包返回也都不同，下面幾種方式都是可能的：可能直接返回給調(diào)用者，或者在某些情況下——直接從上下文退出。
ECMAScript標準的退出行為如下：
function getElement() {
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 == 0) {
// 返回給函數(shù)"forEach"函數(shù)
// 而不是返回給getElement函數(shù)
alert('found: ' + element); // found: 2
return element;
}
});
return null;
}
然而，在ECMAScript中通過try catch可以實現(xiàn)如下效果：
var $break = {};
function getElement() {
try {
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 == 0) {
// // 從getElement中"返回"
alert('found: ' + element); // found: 2
$break.data = element;
throw $break;
}
});
} catch (e) {
if (e == $break) {
return $break.data;
}
}
return null;
}
alert(getElement()); // 2
這里說明一下，開發(fā)人員經(jīng)常錯誤將閉包簡化理解成從父上下文中返回內(nèi)部函數(shù)，甚至理解成只有匿名函數(shù)才能是閉包。
再說一下，因為作用域鏈，使得所有的函數(shù)都是閉包（與函數(shù)類型無關(guān)： 匿名函數(shù)，F(xiàn)E，NFE，F(xiàn)D都是閉包）。
這里只有一類函數(shù)除外，那就是通過Function構(gòu)造器創(chuàng)建的函數(shù)，因為其[[Scope]]只包含全局對象。
為了更好的澄清該問題，我們對ECMAScript中的閉包給出2個正確的版本定義：
ECMAScript中，閉包指的是：
實際使用的時候，閉包可以創(chuàng)建出非常優(yōu)雅的設(shè)計，允許對funarg上定義的多種計算方式進行定制。如下就是數(shù)組排序的例子，它接受一個排序條件函數(shù)作為參數(shù)：
[1, 2, 3].sort(function (a, b) {
... // 排序條件
});
同樣的例子還有，數(shù)組的map方法是根據(jù)函數(shù)中定義的條件將原數(shù)組映射到一個新的數(shù)組中：
[1, 2, 3].map(function (element) {
return element * 2;
}); // [2, 4, 6]
使用函數(shù)式參數(shù)，可以很方便的實現(xiàn)一個搜索方法，并且可以支持無限制的搜索條件：
someCollection.find(function (element) {
return element.someProperty == 'searchCondition';
});
還有應用函數(shù)，比如常見的forEach方法，將函數(shù)應用到每個數(shù)組元素：
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 != 0) {
alert(element);
}
}); // 1, 3
順便提下，函數(shù)對象的 apply 和 call方法，在函數(shù)式編程中也可以用作應用函數(shù)。 apply和call已經(jīng)在討論“this”的時候介紹過了；這里，我們將它們看作是應用函數(shù) —— 應用到參數(shù)中的函數(shù)（在apply中是參數(shù)列表，在call中是獨立的參數(shù)）：
(function () {
alert([].join.call(arguments, ';')); // 1;2;3
}).apply(this, [1, 2, 3]);
閉包還有另外一個非常重要的應用 —— 延遲調(diào)用：
var a = 10;
setTimeout(function () {
alert(a); // 10, after one second
}, 1000);
還有回調(diào)函數(shù)
//...
var x = 10;
// only for example
xmlHttpRequestObject.onreadystatechange = function () {
// 當數(shù)據(jù)就緒的時候，才會調(diào)用;
// 這里，不論是在哪個上下文中創(chuàng)建
// 此時變量“x”的值已經(jīng)存在了
alert(x); // 10
};
//...
還可以創(chuàng)建封裝的作用域來隱藏輔助對象：
var foo = {};
// 初始化
(function (object) {
var x = 10;
object.getX = function _getX() {
return x;
};
})(foo);
alert(foo.getX()); // 獲得閉包 "x" – 10
本文介紹了更多關(guān)于ECMAScript-262-3的理論知識，而我認為，這些基礎(chǔ)的理論有助于理解ECMAScript中閉包的概念。如果有任何問題，我回在評論里回復大家。
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