Замыкание (программирование)

Замыкание (англ. closure) в программировании — это различные методики передачи в функцию первого класса (она же callback) информации о переменных вне её тела^[1]. Другими словами, это передача в функцию окольным путём некоторой информации, при каких обстоятельствах её вызвали — и наоборот, функция может окольным путём передать наружу, что случилось при её исполнении. Простейший пример: операция сортировки массива принимает функцию сравнения, а в эту функцию передаётся, по какому полю сортировать.

Замыкание, так же как и экземпляр объекта, есть способ представления функциональности и данных, связанных и упакованных вместе.

Существуют различные методики передачи в функцию замыканий:

Глобальная переменная, с той скидкой, что функция теряет реентерабельность — стандартная библиотека Си.
Дополнительный параметр, который гарантированно передаётся неизменным и позволяет упаковать небольшой объект или передать по указателю большой — низкоуровневые библиотеки наподобие WinAPI^[2];
Объект с операцией «вызов», создаваемый каждый раз,— Си++, Java;
Особый вид функции — PHP.
Метод объекта, вместе с указателем на сам объект — Delphi.

В любом случае ссылки на переменные внешней функции действительны внутри вложенной функции до тех пор, пока работает вложенная функция, даже если внешняя функция закончила работу, и переменные вышли из области видимости.^[3]

Замыкание связывает код функции с её лексическим окружением (местом, в котором она определена в коде). Лексические переменные замыкания отличаются от глобальных переменных тем, что они не занимают глобальное пространство имён. От переменных в объектах они отличаются тем, что привязаны к функциям, а не объектам.

Некоторые из назначений

Основное назначение замыкания (в любом виде) — условно «библиотечный» код вызывает «пользовательскую» функцию (либо находящуюся на другом слое абстракции), и потому последняя обязана иметь нейтральную сигнатуру, не выдающую, какими сторонними данными происходит обмен. В частности, для механизмов «при наступлении события вызвать пользовательскую функцию»^[4], «для каждого объекта вызвать пользовательскую функцию»^[2], «провести сортировку в пользовательском порядке»^[5]… Условно (замыкание сделано дополнительным параметром на манер WinAPI):

функция добавитьВСписок(x : целое, замык : объект)
  (замык → список).добавь(x)

y : список
пройтиПростыеЧисла(1000, добавитьВСписок, y)

Однако языковая поддержка замыканий позволила решать и другие задачи.

Программирование в структурном стиле. В частности, генераторы данных и итераторы^[4].
```
y : список
пройтиПростыеЧисла(1000, [y] x : целое →
  y.добавь(x)
)
```

Программирование в функциональном стиле — карринг, композиция функций^[4].

функция форматироватьВалюту(валюта : строка, точность : целое)
  вернуть [валюта, точность] x : дробное →
       вернуть форматировать(x, точность) + " " + валюта

форматироватьЕвро = форматироватьВалюту("€", 2)

Один из способов сделать скрытые (доступные только объекту-владельцу) данные, к тому же не пересекающиеся ни с одной глобальной переменной^[4].
Чтобы оформить небольшой объект как функцию — для кэширования предыдущих вызовов, фильтрации ввода и другого^[4].

Примеры

Имеется викиучебник по теме «Реализации алгоритмов/Замыкание»

Больше примеров смотрите в викиучебнике.

В языке Scheme

(define (make-adder n)       ; возвращает замкнутое лямбда-выражение
  (lambda (x)                ; в котором x - связанная переменная,
    (+ x n)                  ; а n - свободная (захваченная из внешнего контекста)
  )
)                

(define add1 (make-adder 1)) ; делаем процедуру для прибавления 1
(add1 10)                    ; вызываем её, возвращает 11

(define sub1 (make-adder -1)); делаем процедуру для вычитания 1
(sub1 10)                    ; вызываем её, возвращает 9

В языке JavaScript^[6]

'use strict';

const add = function(x) {
  return function(y) {
    const z = x + y;
    console.log(x + '+' + y + '=' + z);
    return z;
  };
};

const res = add(3)(6); // вернёт 9 и выведет в консоль 3+6=9

console.log(res);

Этот же код в версии ECMAScript2015 с использованием «стрелочных функций»:

'use strict';

const add = x => y => {
  const z = x + y;
  console.log(x + '+' + y + '=' + z);
  return z;
};

const res = add(3)(6); // вернёт 9 и выведет в консоль 3+6=9

console.log(res);

Пояснение: в JavaScript сочетание => является оператором объявления стрелочной функции, см например https://developer.mozilla.org/ru/docs/Web/JavaScript/Reference/Functions/Arrow_functions. Здесь в константу add помещается функция от аргумента x, результатом которой будет являться другая функция, а именно функция от аргумента y, результат которой вычисляется приведённым в фигурных скобках блоком кода. Этот блок кода опирается на аргумент y своей функции и на замыкание, создаваемое для аргумента x внешней функции.

При вызове add(3)(6) функция, хранящаяся в переменной add, вызывается с аргументом 3 и возвращает функцию, завязанную на значение 3 в замыкании x.

Далее в рамках такого обращения эта функция выполняется с аргументом y = 6 и возвращает 9.

Можно сделать рекурсивное замыкание:

'use strict';

const add = x => y => {
  const z = x + y;
  console.log(x + '+' + y + '=' + z);
  return add(z);
};

const res = add(1)(4)(6)(9);

console.log(res);
/* 1+4=5
   5+6=11
   11+9=20
   [Function]*/

Когда JS-код работает — локальные переменные хранятся в scope. В JavaScript локальные переменные могут оставаться в памяти даже после того, как функция вернула значение.

Все функции в JavaScript это замыкания, то есть всегда, когда создается функция — всегда создается замыкание, хоть и зачастую оно пустое, так как функции обычно из объявления контекста как правило ничего не используют. Но нужно понимать разницу между созданием замыкания и созданием нового scope-объекта: замыкание (функция + ссылка на текущую цепочку scope-объектов) создается при определении функции, но новый scope-объект создается (и используется для модификации цепочки scope-объектов замыкания) при каждом вызове функции.

В языке PHP

В PHP замыкания — это анонимные функции, особые конструкции, которые позволяют описывать функции, не имеющие определённых имён.

<?php

function add($x)
{
    return function ($y) use ($x) { // <-- анонимная функция (замыкание)
        return $x + $y;
    }; // <-- эта точка с запятой здесь нужна!
}

echo add(3)(5) . PHP_EOL;   // Выведет: 8

$f = add(3);
var_dump($f);               // Выведет: object(Closure)
echo $f(6) . PHP_EOL;       // Выведет: 9

В PHP наследование переменных из родительской области видимости осуществляется с помощью конструкции use путем явного указания имен наследуемых переменных.

Другой пример с передачей замыкания в метод, где ожидается callable-параметр:

<?php

function power($arr, $exp)
{
    // переменная $func будет хранить ссылку на объект класса Closure, который описывает наше замыкание
    $func = function ($el) use ($exp) {
        return $el ** $exp;
    };
    
    return array_map($func, $arr);
}

$list = [1, 3, 4];

var_dump(power($list, 2)); // Выведет: array(3) {[0]=>int(1) [1]=>int(9) [2]=>int(16)}
var_dump(power($list, 3)); // Выведет: array(3) {[0]=>int(1) [1]=>int(27) [2]=>int(64)}

См. также

Примечания

↑ Closures — JavaScript | MDN
↑ ¹ ² Функция EnumWindows (winuser.h) - Win32 apps | Microsoft Learn
↑ Blocks Can Be Closures — Containers, Blocks, and Iterators — Programming Ruby. The Pragmatic Programmer’s Guide. (неопр.) Дата обращения: 29 сентября 2011. Архивировано 23 сентября 2011 года.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ https://medium.com/deno-the-complete-reference/10-use-cases-of-closures-in-javascript-98fe0eab36db
↑ std::sort - cppreference.com
↑ Closure: Function closures and storing data in function scope. — 2018-01-08. Архивировано 29 ноября 2019 года.

[1] Closures — JavaScript | MDN

[winapi-2] ¹ ² Функция EnumWindows (winuser.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

[3] Blocks Can Be Closures — Containers, Blocks, and Iterators — Programming Ruby. The Pragmatic Programmer’s Guide. (неопр.) Дата обращения: 29 сентября 2011. Архивировано 23 сентября 2011 года.

[clo-js-4] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ https://medium.com/deno-the-complete-reference/10-use-cases-of-closures-in-javascript-98fe0eab36db

[5] std::sort - cppreference.com

[автоссылка1-6] Closure: Function closures and storing data in function scope. — 2018-01-08. Архивировано 29 ноября 2019 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]