C# 本地函數(shù)與 Lambda 表達(dá)式
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「DotNET技術(shù)圈」，作者Vladimir Sadov。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系DotNET技術(shù)圈公眾號(hào)。
C# 局部函數(shù)通常被視為 lambda 表達(dá)式的進(jìn)一步增強(qiáng)。雖然功能是相關(guān)的，但也存在重大差異。
Local Functions 是嵌套函數(shù)[1]功能的 C# 實(shí)現(xiàn)。一種語言在支持 lambdas 之后獲得對(duì)嵌套函數(shù)的支持幾個(gè)版本是有點(diǎn)不尋常的。通常情況相反。
Lambda 或一般的一流函數(shù)需要實(shí)現(xiàn)未在堆棧上分配且生命周期與需要它們的功能對(duì)象相關(guān)聯(lián)的局部變量。如果不依賴?yán)占蛲ㄟ^捕獲列表等解決方案將變量所有權(quán)的負(fù)擔(dān)減輕給用戶，則幾乎不可能正確有效地實(shí)現(xiàn)它們。對(duì)于某些早期語言來說，這是一個(gè)嚴(yán)重的阻塞問題。嵌套函數(shù)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)不會(huì)遇到這種復(fù)雜情況，因此一種語言更常見的是僅支持嵌套函數(shù)而不支持 lambda。
無論如何，由于 C# 長(zhǎng)期以來一直使用 lambda，因此從差異和相似之處來看本地函數(shù)確實(shí)是有意義的。
Lambda 表達(dá)式
Lambda 表達(dá)式x => x + x是抽象地表示一段代碼以及它如何綁定到其詞法環(huán)境中的參數(shù)和變量的表達(dá)式。作為代碼的抽象表示，lambda 表達(dá)式不能單獨(dú)使用。為了使用由 lambda 表達(dá)式生成的值，需要將其轉(zhuǎn)換為更多內(nèi)容，例如委托或表達(dá)式樹。
- using System;
- using System.Linq.Expressions;
- class Program
- {
- static void Main(string[] args)
- {
- // can't do much with the lambda expression directly
- // (x => x + x).ToString(); // error
- // can assign to a variable of delegate type and invoke
- Func<int, int> f = (x => x + x);
- System.Console.WriteLine(f(21)); // prints "42"
- // can assign to a variable of expression type and introspect
- Expression<Func<int, int>> e = (x => x + x);
- System.Console.WriteLine(e); // prints "x => (x + x)"
- }
- }
有幾點(diǎn)值得注意：
- lambdas 是產(chǎn)生函數(shù)值的表達(dá)式。
- lambda 值的生命周期是無限的——從 lambda 表達(dá)式的執(zhí)行開始，只要存在對(duì)該值的任何引用。這意味著 lambda 從封閉方法中使用或“捕獲”的任何局部變量都必須在堆上分配。由于 lambda 值的生命周期不受產(chǎn)生它的堆棧幀的生命周期的限制，因此不能在該堆棧幀上分配變量。
- lambda 表達(dá)式要求在執(zhí)行 lambda 表達(dá)式時(shí)明確分配主體中使用的所有外部變量。lambda 的第一次和最后一次使用的時(shí)刻很少是確定性的，因此該語言假設(shè) lambda 值可以在創(chuàng)建后立即使用，只要它們是可訪問的。因此，一個(gè) lambda 值在創(chuàng)建時(shí)必須是完全可用的，并且它使用的所有外部變量都必須明確分配。
- int x;
- // ERROR: 'x' is not definitely assigned
- Func<int> f = () => x;
- lambdas 沒有名字，也不能被象征性地引用。特別是 lambda 表達(dá)式不能遞歸聲明。
注意：可以通過調(diào)用分配給 lambda 的變量或傳遞給自應(yīng)用其參數(shù)的高階方法來創(chuàng)建遞歸 lambda(請(qǐng)參閱：C# 中的匿名遞歸[2])，但這不會(huì)表達(dá)真正的自我參照。
本地函數(shù)
局部函數(shù)基本上只是在另一個(gè)方法中聲明的方法，作為一種降低方法對(duì)其聲明范圍內(nèi)的可見性的方法。
自然地，局部函數(shù)中的代碼可以訪問其包含范圍內(nèi)可訪問的所有內(nèi)容——局部變量、封閉方法的參數(shù)、類型參數(shù)、局部函數(shù)。一個(gè)值得注意的例外是外部方法標(biāo)簽的可見性。封閉方法的標(biāo)簽在局部函數(shù)中不可見。這只是普通的詞法范圍，它的工作原理與 lambdas 相同。
- public class C
- {
- object o;
- public void M1(int p)
- {
- int l = 123;
- // lambda has access to o, p, l,
- Action a = ()=> o = (p + l);
- }
- public void M2(int p)
- {
- int l = 123;
- // Local Function has access to o, p, l,
- void a()
- {
- o = (p + l);
- }
- }
- }
與 lambda 的明顯區(qū)別在于局部函數(shù)具有名稱并且可以在沒有任何間接方式的情況下使用。局部函數(shù)可以是遞歸的。
- static int Fac(int arg)
- {
- int FacRecursive(int a)
- {
- return a <= 1 ?
- 1 :
- a * FacRecursive(a - 1);
- }
- return FacRecursive(arg);
- }
與 lambda 表達(dá)式的主要語義區(qū)別在于局部函數(shù)不是表達(dá)式，它們是聲明語句。在代碼執(zhí)行方面，聲明是非常被動(dòng)的實(shí)體。事實(shí)上，聲明并沒有真正被“執(zhí)行”。與標(biāo)簽等其他聲明類似，局部函數(shù)聲明只是將函數(shù)引入包含范圍，而無需運(yùn)行任何代碼。
更重要的是，無論是聲明本身還是嵌套函數(shù)的常規(guī)調(diào)用都不會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的不確定捕獲。在簡(jiǎn)單和常見的情況下，如普通的調(diào)用/返回場(chǎng)景，捕獲的局部變量不需要進(jìn)行堆分配。
例子：
- public class C
- {
- public void M()
- {
- int num = 123;
- // has access to num
- void Nested()
- {
- num++;
- }
- Nested();
- System.Console.WriteLine(num);
- }
- }
上面的代碼大致相當(dāng)于(反編譯)：
- public class C
- {
- // A struct to hold "num" variable.
- // We are not storing it on the heap,
- // so it does not need to be a class
- private struct <>c__DisplayClass0_0
- {
- public int num;
- }
- public void M()
- {
- // reserve storage for "num" in a display struct on the _stack_
- C.<>c__DisplayClass0_0 env = default(C.<>c__DisplayClass0_0);
- // num = 123
- env.num = 123;
- // Nested()
- // note - passes env as an extra parameter
- C.<M>g__a0_0(ref env);
- // System.Console.WriteLine(num)
- Console.WriteLine(env.num);
- }
- // implementation of the the "Nested()".
- // note - takes env as an extra parameter
- // env is passed by reference so it's instance is shared
- // with the caller "M()"
- internal static void <M>g__a0_0(ref C.<>c__DisplayClass0_0 env)
- {
- env.num += 1;
- }
- }
請(qǐng)注意，上面的代碼直接調(diào)用了“Nested()”的實(shí)現(xiàn)(不是通過委托間接)，并且沒有在堆上引入顯示存儲(chǔ)的分配(就像 lambda 會(huì)那樣)。局部變量存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)中而不是類中。的生命周期num并沒有因?yàn)樗? 中的使用而改變Nested()，所以它仍然可以在棧上分配。M()可以只通過num引用傳遞，但編譯器使用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行打包，因此它可以傳遞所有本地變量，就像num只使用一個(gè) env 參數(shù)一樣。
另一個(gè)有趣的一點(diǎn)是，只要本地函數(shù)在給定范圍內(nèi)可見，就可以使用它們。這是一個(gè)重要的事實(shí)，使遞歸和相互遞歸的場(chǎng)景成為可能。這也使得本地函數(shù)聲明在源代碼中的確切位置在很大程度上變得不重要。
例如，封閉方法的所有變量必須在調(diào)用讀取它們的本地函數(shù)時(shí)明確分配，而不是在其聲明時(shí)。實(shí)際上，如果調(diào)用可以更早發(fā)生，那么在聲明時(shí)提出該要求將沒有任何好處。
- public void M()
- {
- // error here -
- // Use of unassigned local variable 'num'
- Nested();
- int num;
- // whether 'num' is assigned here or not is irrelevant
- void Nested()
- {
- num++;
- }
- num = 123;
- // no error here - 'num' is assigned
- Nested();
- System.Console.WriteLine(num);
- }
此外 - 如果從未使用過局部函數(shù)，它也不會(huì)比一段無法訪問的代碼和任何變量更好，否則它會(huì)使用，不需要分配。
- public void M()
- {
- int num;
- // warning - Nested() is never used.
- void Nested()
- {
- // no errors on unassigned 'num'.
- // this code never runs.
- num++;
- }
- }
那么，局部函數(shù)的目的是什么?
與 lambdas 相比，局部函數(shù)的主要價(jià)值主張是局部函數(shù)在概念上和運(yùn)行時(shí)開銷方面都更簡(jiǎn)單。
Lambda 可以很好地充當(dāng)一類函數(shù)[3]的角色，但有時(shí)您只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的助手。分配給局部變量的 Lambda 可以完成這項(xiàng)工作，但存在間接開銷、委托分配和可能的閉包開銷。私有方法也有效，調(diào)用成本更低，但存在封裝問題，或缺乏封裝。這樣的助手對(duì)包含類型中的每個(gè)人都是可見的。太多這樣的幫手會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的混亂。
局部函數(shù)非常適合這種情況。調(diào)用本地函數(shù)的開銷與調(diào)用私有方法的開銷相當(dāng)，但使用其他不應(yīng)調(diào)用的方法污染包含類型沒有問題。
http://mustoverride.com/local_functions/
References
[1] 嵌套函數(shù): https://en.wikipedia.org/wiki/Nested_function
[2] C# 中的匿名遞歸: https://blogs.msdn.microsoft.com/wesdyer/2007/02/02/anonymous-recursion-in-c/
[3] 一類函數(shù): https://en.wikipedia.org/wiki/First-class_function
