在 Lua 中实现闭包？

Question

我有一个关于如何实现闭包的问题。

假设这是在一个名为 test.lua 的文件中：

local a = 'asdf'

local function b()
    return a
end

a = 10

return b

另一个文件会这样做

a = require 'test'
a()

它会打印出来

10

如果a 是堆栈上指向'asdf' 的指针（我假设在堆上，但这没关系），并且创建闭包b，那么大概是a 中的地址保存给b 使用，a = 10 如何也改变闭包内的指针？

维基百科很好地说明了我的困惑：

如果其运行时内存模型在线性堆栈上分配所有局部变量¹，则该语言实现无法轻松支持完全闭包。在此类语言中，函数的局部变量会在函数返回时被释放。

我在想也许b 确实没有保存指向'asdf' 的指针，而是将堆栈偏移量保存到a，这样您就可以更改a 并且堆栈偏移量会将您带到a它指向您设置a 的最后一件事，但是当a（指针）从堆栈中弹出并且堆栈偏移量变得无效时，它是如何工作的？

¹ 我知道 Lua 不会在堆栈上分配 值，但它会将堆栈上的本地指针分配给堆中的值，不是吗？

Answer 1

我真的希望你能更合理地命名这些变量。所以我会：

local inner = 'asdf'

local function b()
    return inner
end

inner = 10

return b

和

func = require 'test'
func()

好的，现在我们知道我们在说什么，我可以继续了。

Lua 块test 有一个名为inner 的局部变量。在该块中，您创建一个新函数b。由于这是一个新函数，它的作用域在块test 的范围内。

由于它在函数内，它有权访问在该函数之外声明的局部变量。但是因为它在函数内部，所以它不会像访问它自己的本地变量那样访问这些变量。编译器检测到inner 是一个声明在函数作用域之外的局部变量，因此它将其转换为 Lua 所谓的“上值”。

Lua 中的函数可以有任意数量的值（最多 255 个）与之关联，称为“upvalues”。在 C/C++ 中创建的函数可以使用 lua_pushcclosure 存储一些上值。 Lua 编译器创建的函数使用上值来提供词法作用域。

作用域是发生在固定 Lua 代码块中的所有内容。所以：

if(...) then
  --yes
else
  --no
end

yes 块有一个范围，no 块有一个不同的范围。在yes 块中声明的任何local 变量都不能从no 块中访问，因为它们超出了no 块的范围。

定义范围的 Lua 构造是 if/then/else/end、while/do/end、repeat/until、do/end、for/end 和 function/end。此外，每个称为 Lua“块”的脚本都有一个作用域。

范围是嵌套的。在一个范围内，您可以访问在更高范围内声明的局部变量。

“堆栈”表示在特定范围内声明为local 的所有变量。因此，如果您在某个范围内没有局部变量，则该范围的堆栈为空。

在 C 和 C++ 中，您熟悉的“堆栈”只是一个指针。当你调用一个函数时，编译器已经预先确定了函数的堆栈需要多少字节的空间。它使指针前进该量。函数中使用的所有堆栈变量都只是堆栈指针的字节偏移量。当函数退出时，堆栈指针会减少堆栈数量。

在 Lua 中，情况有所不同。特定范围的堆栈是一个对象，而不仅仅是一个指针。对于任何特定的范围，都为其定义了一些local 变量。当 Lua 解释器进入一个作用域时，它会“分配”一个堆栈，其大小是访问这些局部变量所必需的。所有对局部变量的引用都只是该堆栈的偏移量。从更高范围（先前定义）访问局部变量只需访问不同的堆栈对象。

因此，在 Lua 中，您在概念上拥有一堆堆栈（为清楚起见，我将其称为“s-stack”）。每个作用域都会创建一个新堆栈并将其推送，当您离开一个作用域时，它会将堆栈从 s-stack 中弹出。

当 Lua 编译器遇到对 local 变量的引用时，它会将该引用转换为 s 堆栈的索引，以及该特定堆栈的偏移量。所以如果它访问当前本地栈中的一个变量，s栈的索引是指s栈的顶部，偏移量是变量所在栈的偏移量。

这对于大多数访问范围的 Lua 构造来说都很好。但是function/end 不只是创建一个新范围；他们创建了一个新功能。并且这个函数被允许访问不只是该函数的本地堆栈的堆栈。

堆栈是对象。在 Lua 中，对象会被垃圾回收。当解释器进入一个作用域时，它会分配一个堆栈对象并推送它。只要堆栈对象被压入 s-stack，它就不能被销毁。堆栈的堆栈是指对象。但是，一旦解释器退出作用域，它就会将堆栈从 s 堆栈中弹出。因此，由于不再引用，因此有待收集。

但是，访问其本地范围之外的变量的函数仍然可以引用该堆栈。当 Lua 编译器看到对不在函数本地范围内的 local 变量的引用时，它会更改函数。它找出它所引用的本地堆栈属于哪个堆栈，然后将该堆栈作为上值存储在函数中。它将对该变量的引用转换为该特定上值的偏移量，而不是当前位于 s 堆栈上的堆栈的偏移量。

只要函数对象继续存在，它所引用的堆栈也将继续存在。

请记住，堆栈是在 Lua 解释器进入和退出函数范围时动态创建和销毁的。因此，如果您要运行test 两次，通过调用loadfile 并执行两次返回的函数，您将获得两个独立的函数，它们分别引用了两个独立 堆栈。两个函数都不会看到另一个函数的值。

请注意，这可能并不完全是它的实现方式，但这就是它背后的总体思路。