C# 匿名函数引用局部变量解析

傷城~ 2022-05-21 08:28 252阅读 0赞

using System;
    
    namespace Application
    {
    	class Test
    	{
    		Action action;
    
    		public Test()
    		{
    			int value = 2046;
    			action = () => Console.WriteLine(value);
    		}
    
    		static void Main(string[] args)
    		{
    			Test test = new Test();
    			test.action();
    		}
    	}
    }

在 Test 构造函数里，局部变量 value 在构造函数执行结束后出栈，那么 C\# 是如何实现在函数执行以后访问其中的局部变量的？

> 你必须了解：引用类型、值类型、引用、对象、值类型的值（简称值）。
> 
> 关于引用、对象和值在内存的分配有如下几点规则： •对象分配在堆中。 •作为字段的引用分配在堆中(内嵌在对象中)。  
> •作为局部变量（参数也是局部变量）的引用分配在栈中。 •作为字段的值分配在堆中(内嵌在对象中)。  
> •作为局部变量（参数也是局部变量）的值用分配在栈中。 •局部变量只能存活于所在的作用域（方法中的大括号确定了作用域的长短）。
> 
> 注：按值传递和按引用传递也是需要掌握的知识点，C\# 默认是按值传递的。

## 概念 ##

> 内层的函数可以引用包含在它外层的函数的变量，即使外层函数的执行已经终止。但该变量提供的值并非变量创建时的值，而是在父函数范围内的最终值。

## 条件 ##

> 闭包是将一些执行语句的封装，可以将封装的结果像对象一样传递，在传递时,这个封装依然能够访问到原上下文。  
> 形成闭包有一些值得总结的非必要条件：  
> 1、嵌套定义的函数。  
> 2、匿名函数。  
> 3、将函数作为参数或者返回值。  
> 4、在.NET中，可以通过匿名委托形成闭包：函数可以作为参数传递，也可以作为返回值返回，或者作为函数变量。而在.NET中，这都可以通过委托来实现。这些是实现闭包的前提。

## 闭包的优点： ##

使用闭包，我们可以轻松的访问外层函数定义的变量，这在匿名方法中普遍使用。比如有如下场景，在winform应用程序中，我们希望做这么一个效果，当用户关闭窗体时，给用户一个提示框。

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
    {
           string msg= "您将关闭当前对话框";
           this.FormClosing += delegate
           {
                MessageBox.Show(msg);
           };
    }

匿名函数很容易的访问到了作用域之外的变量。

## 闭包陷阱 ##

**全局变量**

public static int i;//这个不是闭包
    
    static void Main(string[] args)
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            i = counter;
            actions.Add(() => Console.WriteLine(i));
        }
        i = 123;
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
    
        Console.ReadKey();
    
    }

public static int i;//这个不是闭包
    static void TempMethod()
    {
        Console.WriteLine(i);
    }
    static void Main(string[] args)
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            i = counter;
            actions.Add(new Action(TempMethod));
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
    
        Console.ReadKey();
    
    }

**闭包示例一**

static void Main()
    {
        int i;//[1]闭包一
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            i = counter;
            actions.Add(() => Console.WriteLine(i));
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
        Console.ReadKey();
    }

运行结果：  
![这里写图片描述][SouthEast]

显然这个结果不是我们想要的，上面的程序相当于下面的示例代码：

static void Main()
    {
        TempClass tc = new TempClass();
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            tc.i = counter;
            actions.Add(tc.TempMethod);
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
    
        Console.ReadKey();
    }
    
    class TempClass
    {
        public int i;
        public void TempMethod()
        {
            Console.WriteLine(i);
        }
    }

**闭包示例二**

static void Main()
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int i = 0; i < 10; i++)//[3]闭包二
        {
            actions.Add(() => Console.WriteLine(i));
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
        Console.ReadKey();
    }

上面的程序相当于下面的示例代码：

static void Main()
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        TempClass tc = new TempClass();
        for (tc.i = 0; tc.i < 10; tc.i++)
        {
            actions.Add(new Action(tc.TempMethod));
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
        Console.ReadKey();
    }
    class TempClass
    {
        public int i;
        public void TempMethod()
        {
            Console.WriteLine(i);
        }
    }

运行结果：  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
这个结果也不是我们预期的。

## 分析 ##

以示例一为例说明代码运行机制：

首先：C\#编译器 为我们生成了一个 ‘<>c\_\_DisplayClass0\_0’的类，一个 “< Main > b\_\_0”的方法 和 一个 变量 i。这个public int32 i 的变量就是程序一开始我们定义的变量i，现在被包装到了类中。

![这里写图片描述][SouthEast 2]

.method assembly hidebysig instance void 
            '<Main>b__0'() cil managed
    {
      // 代码大小       13 (0xd)
      .maxstack  8
      IL_0000:  ldarg.0
      IL_0001:  ldfld      int32 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::i
      IL_0006:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
      IL_000b:  nop
      IL_000c:  ret
    } // end of method '<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'

上面这个是”< Main > b\_\_0”方法的IL代码：就是输出

> System.Console::WriteLine(int32)

下面是Main主程序的IL代码：

.method private hidebysig static void  Main() cil managed
    {
      .entrypoint
      // 代码大小       140 (0x8c)
      .maxstack  4
      .locals init ([0] class 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0' 'CS$<>8__locals0',
               [1] class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<class [mscorlib]System.Action> actions,
               [2] int32 counter,
               [3] class [mscorlib]System.Action V_3,
               [4] bool V_4,
               [5] valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<class [mscorlib]System.Action> V_5,
               [6] class [mscorlib]System.Action action)
      IL_0000:  newobj     instance void 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::.ctor()
      IL_0005:  stloc.0
      IL_0006:  nop
      IL_0007:  newobj     instance void class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<class [mscorlib]System.Action>::.ctor()
      IL_000c:  stloc.1
      IL_000d:  ldc.i4.0
      IL_000e:  stloc.2
      IL_000f:  br.s       IL_0044
      IL_0011:  nop
      IL_0012:  ldloc.0
      IL_0013:  ldloc.2
      IL_0014:  stfld      int32 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::i
      IL_0019:  ldloc.1
      IL_001a:  ldloc.0
      IL_001b:  ldfld      class [mscorlib]System.Action 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::'<>9__0'
      IL_0020:  dup
      IL_0021:  brtrue.s   IL_0039
      IL_0023:  pop
      IL_0024:  ldloc.0
      IL_0025:  ldloc.0
      IL_0026:  ldftn      instance void 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::'<Main>b__0'()
      IL_002c:  newobj     instance void [mscorlib]System.Action::.ctor(object,
                                                                        native int)
      IL_0031:  dup
      IL_0032:  stloc.3
      IL_0033:  stfld      class [mscorlib]System.Action 'CSharp闭包之局部变量一'.Program/'<>c__DisplayClass0_0'::'<>9__0'
      IL_0038:  ldloc.3
      IL_0039:  callvirt   instance void class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<class [mscorlib]System.Action>::Add(!0)
      IL_003e:  nop
      IL_003f:  nop
      IL_0040:  ldloc.2
      IL_0041:  ldc.i4.1
      IL_0042:  add
      IL_0043:  stloc.2
      IL_0044:  ldloc.2
      IL_0045:  ldc.i4.s   10
      IL_0047:  clt
      IL_0049:  stloc.s    V_4
      IL_004b:  ldloc.s    V_4
      IL_004d:  brtrue.s   IL_0011
      IL_004f:  nop
      IL_0050:  ldloc.1
      IL_0051:  callvirt   instance valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<!0> class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<class [mscorlib]System.Action>::GetEnumerator()
      IL_0056:  stloc.s    V_5
      .try
      {
        IL_0058:  br.s       IL_006b
        IL_005a:  ldloca.s   V_5
        IL_005c:  call       instance !0 valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<class [mscorlib]System.Action>::get_Current()
        IL_0061:  stloc.s    action
        IL_0063:  ldloc.s    action
        IL_0065:  callvirt   instance void [mscorlib]System.Action::Invoke()
        IL_006a:  nop
        IL_006b:  ldloca.s   V_5
        IL_006d:  call       instance bool valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<class [mscorlib]System.Action>::MoveNext()
        IL_0072:  brtrue.s   IL_005a
        IL_0074:  leave.s    IL_0085
      }  // end .try
      finally
      {
        IL_0076:  ldloca.s   V_5
        IL_0078:  constrained. valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<class [mscorlib]System.Action>
        IL_007e:  callvirt   instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
        IL_0083:  nop
        IL_0084:  endfinally
      }  // end handler
      IL_0085:  call       valuetype [mscorlib]System.ConsoleKeyInfo [mscorlib]System.Console::ReadKey()
      IL_008a:  pop
      IL_008b:  ret
    } // end of method Program::Main

> 　　编译器生成IL代码后，将作用域外的变量i，放到了**匿名类型**‘<>c\_\_DisplayClass0\_0’中当做成员字段来使用，由此，本来应该在堆栈上的int型i，被编译器包装成了object类类型的成员字段，而object被存储在堆中。

> 　　其实C\#并不会对每个需要捕获的值类型变量进行装箱操作，而是把所有捕获的变量统统放到同一个大“箱子”里——当编译器遇到需要变量捕获的情况时，它会默默地在后台构造一个匿名类型，这个匿名类型包含了每一个闭包所捕获的变量（包括值类型变量和引用类型变量）作为它的一个公有字段。这样，编译器就可以维护那些在匿名函数或lambda表达式中出现的外部变量了。

总结

> 编译器将闭包引用的局部变量转换为匿名类型的字段，导致了局部变量分配在堆中。

## 避免闭包陷阱 ##

如何避免闭包陷阱呢？C\#中普遍的做法是，将匿名函数引用的变量用一个临时变量保存下来，然后在匿名函数中使用临时变量。

**闭包示例三**

static void Main()
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            int i;//[1]闭包三
            i = counter;
            //int copy = counter;//换种写法
            actions.Add(() => Console.WriteLine(i));
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
    
        Console.ReadKey();
    }

上面的程序相当于下面的示例代码：

static void Main()
    {
        //定义动作组
        List<Action> actions = new List<Action>();
        for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
        {
            TempClass tc = new TempClass();
            tc.i = counter;
            actions.Add(tc.TempMethod);
        }
        //执行动作
        foreach (Action action in actions)
            action();
        Console.ReadKey();
    }
    class TempClass
    {
        public int i;
        public void TempMethod()
        {
            Console.WriteLine(i);
        }
    }

运行结果：  
![这里写图片描述][SouthEast 3]

与此同时，我们也可以在知道闭包的副作用的情况下（**内层的函数可以引用包含在它外层的函数的变量，即使外层函数的执行已经终止。但该变量提供的值并非变量创建时的值，而是在父函数范围内的最终值**）加以利用。

转自：https://blog.csdn.net/cjolj/article/details/60868305

[SouthEast]: /images/20220521/da2e3b3b76e3455e96d0ebc0578b6a67.png
[SouthEast 1]: /images/20220521/bc4792fa0b3243e58a97fcfe48adfef3.png
[SouthEast 2]: /images/20220521/1e896acd29fc45d8ad49ebf5b9204ae8.png
[SouthEast 3]: /images/20220521/809bac37e88640f7acb8b6c6e41479e5.png