Замыкание (программирование)

Замыкания и первоклассные функции

Значениями могут быть числа или какой-либо другой тип данных, например, буквы, или структуры данных, состоящие из более простых частей. В правилах языка программирования значениями первого класса являются значения, которые могут быть переданы функциям, возвращены функциями и привязаны к имени переменной. Функции, которые принимают или возвращают другие функции, называются функциями высшего порядка. Большинство языков, в которых функции являются первоклассными значениями, также имеют функции высшего порядка и замыкания.

Например, посмотрите на следующую функцию Scheme:

В этом примере лямбда-выражение (лямбда (книга) (>= (book-sales book) threshold)) является частью функции best-selling-books. Когда функция выполняется, Scheme должна сделать значение лямбды. Для этого она создает закрытие с кодом лямбды и ссылкой на переменную threshold, которая является свободной переменной внутри лямбды. (Свободная переменная - это имя, не связанное со значением).

Затем функция filter выполняет закрытие для каждой книги в списке, чтобы выбрать, какие книги следует вернуть. Поскольку в самом закрытии есть ссылка на порог, закрытие может использовать это значение каждый раз, когда filter выполняет закрытие. Сама функция filter может быть написана в совершенно отдельном файле.

Вот тот же пример, переписанный на ECMAScript (JavaScript), другом популярном языке с поддержкой замыканий:

ECMAScript использует здесь слово function вместо lambda, а метод Array.filter вместо функции filter, но в остальном код выполняет те же действия тем же способом.

Функция может создавать закрытие и возвращать его. Следующий пример представляет собой функцию, которая возвращает функцию.

В схеме:

В ECMAScript:

Среда замыкания сохраняет связанные переменные f и dx после возвращения объемлющей функции (производной). В языках без закрытий эти значения были бы потеряны после возвращения закрывающей функции. В языках с замыканиями связанная переменная должна храниться в памяти до тех пор, пока она есть у любого замыкания.

Замыкание не обязательно должно быть сформировано с помощью анонимной функции. Язык программирования Python, например, имеет ограниченную поддержку анонимных функций, но в нем есть замыкания. Например, вышеприведенный пример ECMAScript может быть реализован в Python следующим образом:

В этом примере функция с именем gradient образует замыкание вместе с переменными f и dx. Внешняя объемлющая функция с именем derivative возвращает это замыкание. В данном случае подойдет и анонимная функция.

В Python часто приходится использовать именованные функции, потому что его лямбда-выражения могут содержать только другие выражения (код, возвращающий значение), но не утверждения (код, имеющий эффекты, но не значение). Но в других языках, таких как Scheme, весь код возвращает значение; в Scheme все является выражением.

Использование замыканий

Заглушки имеют множество применений:

• Разработчики программных библиотек могут позволить пользователям настраивать поведение, передавая замыкания в качестве аргументов важным функциям. Например, функция, сортирующая значения, может принимать аргумент замыкания, который сравнивает значения, подлежащие сортировке, в соответствии с заданным пользователем критерием.
• Поскольку закрытия откладывают оценку - т.е. они ничего не "делают", пока их не вызовут - их можно использовать для определения управляющих структур. Например, все стандартные управляющие структуры Smalltalk, включая ветвления (if/then/else) и циклы (while и for), определяются с помощью объектов, методы которых принимают замыкания. Пользователи могут легко определять и свои собственные управляющие структуры.
• Можно создать несколько функций, которые замыкаются на одной и той же среде, что позволяет им общаться в частном порядке, изменяя эту среду (в языках, позволяющих задавать ее).

В схеме

• Закрытия можно использовать для реализации объектных систем.

Примечание: Некоторые специалисты называют закрытием любую структуру данных, связывающую лексическое окружение, но обычно этот термин относится именно к функциям.