LISP - 闭包

Lisp - 闭包与词法作用域

闭包是 Lisp 及其他函数式语言中最强大的特性之一。它是一个函数，能够捕获并记住其词法环境——即函数创建时作用域内的变量和绑定。这使得函数能够维护状态并在可能已不复存在的上下文中运行。

核心概念

• 词法作用域：Lisp 使用词法（或静态）作用域。这意味着变量的作用域由其在源代码中的物理位置决定。一个函数可以访问其包含的代码块中的变量。这就是闭包得以实现的基础。
• 头等函数：在 Lisp 中，函数是头等公民。它们可以存储在变量中，作为参数传递给其他函数，并从函数中返回结果。闭包是结合了这一特性和词法作用域的直接产物。
• 环境捕获：当创建 lambda（一个匿名函数）时，它会捕获其引用的词法变量的快照。这个被捕获的环境与函数捆绑在一起，形成了闭包。

经典示例：函数工厂

演示闭包最常见的方式是使用函数工厂：一个创建并返回其他函数的函数。在这里，我们将创建一个 adder 工厂。

main.lisp

(defun make-adder (n)
  "一个函数工厂。返回一个新函数（一个闭包），该函数将其参数加上 N。"
  (lambda (x)
    (+ x n))) ; 这个 `lambda` 捕获了 `n` 的值

;; --- 创建并使用一些加法器函数 ---

;; 创建两个独立的闭包，每个都有其捕获的环境。
(let ((add-5 (make-adder 5))   ; 这个闭包记住 n=5
      (add-10 (make-adder 10))) ; 这个闭包记住 n=10

  ;; `funcall` 用于调用存储在变量中的函数。
  (format t "Calling add-5 with 3: ~a~%" (funcall add-5 3))
  (format t "Calling add-10 with 3: ~a~%" (funcall add-10 3))

  ;; `let` 绑定中的原始 `n` 已经消失，但闭包仍然有效。
  (format t "Calling add-5 again with 100: ~a~%" (funcall add-5 100)))

输出

执行代码后，会返回以下结果：

Calling add-5 with 3: 8
Calling add-10 with 3: 13
Calling add-5 again with 100: 105

解释

• make-adder 函数接受一个参数 n，并立即返回一个 lambda 函数。
• 返回的 lambda 之所以成为闭包，是因为它引用了 n，而 n 是 make-adder 的词法环境的一部分。
• 当我们调用 (make-adder 5) 时，会得到一个“硬编码”为加 5 的函数，因为它已经捕获了 n 的那个特定值。
• 每次调用 make-adder 都会创建一个新的、独立的闭包，拥有其自己的捕获环境。

实际用例：封装状态

闭包非常适合创建简单的有状态对象，而无需完整的 defclass。下面是一个创建计数器的函数。

main.lisp

(defun make-counter ()
  "创建一个计数器函数，每次调用时都会增加其内部计数。"
  (let ((count 0))
    (lambda ()
      (incf count)))) ; `incf` 递增被捕获的 `count` 变量

(let ((counter-a (make-counter))
      (counter-b (make-counter)))

  (format t "Counter A: ~a~%" (funcall counter-a))
  (format t "Counter A: ~a~%" (funcall counter-a))

  (format t "Counter B: ~a~%" (funcall counter-b))
  (format t "Counter A: ~a~%" (funcall counter-a)))

输出

Counter A: 1
Counter A: 2
Counter B: 1
Counter A: 3

如你所见，counter-a 和 counter-b 是独立的，各自拥有私有的 count 变量，这得益于闭包的强大功能。