Go 语言 匿名函数

原文链接：https://gopl-zh.github.io/ch5/ch5-06.html

5.6. 匿名函数

拥有函数名的函数只能在包级语法块中被声明，通过函数字面量（function literal），我们可绕过这一限制，在任何表达式中表示一个函数值。函数字面量的语法和函数声明相似，区别在于func关键字后没有函数名。函数值字面量是一种表达式，它的值被称为匿名函数（anonymous function）。

函数字面量允许我们在使用函数时，再定义它。通过这种技巧，我们可以改写之前对strings.Map的调用：

strings.Map(func(r rune) rune { return r + 1 }, "HAL-9000")

更为重要的是，通过这种方式定义的函数可以访问完整的词法环境（lexical environment），这意味着在函数中定义的内部函数可以引用该函数的变量，如下例所示：

gopl.io/ch5/squares

// squares返回一个匿名函数。
// 该匿名函数每次被调用时都会返回下一个数的平方。
func squares() func() int {
    var x int
    return func() int {
        x++
        return x * x
    }
}
func main() {
    f := squares()
    fmt.Println(f()) // "1"
    fmt.Println(f()) // "4"
    fmt.Println(f()) // "9"
    fmt.Println(f()) // "16"
}

函数squares返回另一个类型为 func() int 的函数。对squares的一次调用会生成一个局部变量x并返回一个匿名函数。每次调用匿名函数时，该函数都会先使x的值加1，再返回x的平方。第二次调用squares时，会生成第二个x变量，并返回一个新的匿名函数。新匿名函数操作的是第二个x变量。

squares的例子证明，函数值不仅仅是一串代码，还记录了状态。在squares中定义的匿名内部函数可以访问和更新squares中的局部变量，这意味着匿名函数和squares中，存在变量引用。这就是函数值属于引用类型和函数值不可比较的原因。Go使用闭包（closures）技术实现函数值，Go程序员也把函数值叫做闭包。

通过这个例子，我们看到变量的生命周期不由它的作用域决定：squares返回后，变量x仍然隐式的存在于f中。

接下来，我们讨论一个有点学术性的例子，考虑这样一个问题：给定一些计算机课程，每个课程都有前置课程，只有完成了前置课程才可以开始当前课程的学习；我们的目标是选择出一组课程，这组课程必须确保按顺序学习时，能全部被完成。每个课程的前置课程如下：

gopl.io/ch5/toposort

// prereqs记录了每个课程的前置课程
var prereqs = map[string][]string{
    "algorithms": {"data structures"},
    "calculus": {"linear algebra"},
    "compilers": {
        "data structures",
        "formal languages",
        "computer organization",
    },
    "data structures":       {"discrete math"},
    "databases":             {"data structures"},
    "discrete math":         {"intro to programming"},
    "formal languages":      {"discrete math"},
    "networks":              {"operating systems"},
    "operating systems":     {"data structures", "computer organization"},
    "programming languages": {"data structures", "computer organization"},
}

这类问题被称作拓扑排序。从概念上说，前置条件可以构成有向图。图中的顶点表示课程，边表示课程间的依赖关系。显然，图中应该无环，这也就是说从某点出发的边，最终不会回到该点。下面的代码用深度优先搜索了整张图，获得了符合要求的课程序列。

func main() {
    for i, course := range topoSort(prereqs) {
        fmt.Printf("%d:\t%s\n", i+1, course)
    }
}

func topoSort(m map[string][]string) []string {
    var order []string
    seen := make(map[string]bool)
    var visitAll func(items []string)
    visitAll = func(items []string) {
        for _, item := range items {
            if !seen[item] {
                seen[item] = true
                visitAll(m[item])
                order = append(order, item)
            }
        }
    }
    var keys []string
    for key := range m {
        keys = append(keys, key)
    }
    sort.Strings(keys)
    visitAll(keys)
    return order
}

当匿名函数需要被递归调用时，我们必须首先声明一个变量（在上面的例子中，我们首先声明了 visitAll），再将匿名函数赋值给这个变量。如果不分成两步，函数字面量无法与visitAll绑定，我们也无法递归调用该匿名函数。

visitAll := func(items []string) {
    // ...
    visitAll(m[item]) // compile error: undefined: visitAll
    // ...
}

在toposort程序的输出如下所示，它的输出顺序是大多人想看到的固定顺序输出，但是这需要我们多花点心思才能做到。哈希表prepreqs的value是遍历顺序固定的切片，而不再试遍历顺序随机的map，所以我们对prereqs的key值进行排序，保证每次运行toposort程序，都以相同的遍历顺序遍历prereqs。

1: intro to programming
2: discrete math
3: data structures
4: algorithms
5: linear algebra
6: calculus
7: formal languages
8: computer organization
9: compilers
10: databases
11: operating systems
12: networks
13: programming languages

让我们回到findLinks这个例子。我们将代码移动到了links包下，将函数重命名为Extract，在第八章我们会再次用到这个函数。新的匿名函数被引入，用于替换原来的visit函数。该匿名函数负责将新连接添加到切片中。在Extract中，使用forEachNode遍历HTML页面，由于Extract只需要在遍历结点前操作结点，所以forEachNode的post参数被传入nil。

gopl.io/ch5/links

// Package links provides a link-extraction function.
package links
import (
    "fmt"
    "net/http"
    "golang.org/x/net/html"
)
// Extract makes an HTTP GET request to the specified URL, parses
// the response as HTML, and returns the links in the HTML document.
func Extract(url string) ([]string, error) {
    resp, err := http.Get(url)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    if resp.StatusCode != http.StatusOK {
    resp.Body.Close()
        return nil, fmt.Errorf("getting %s: %s", url, resp.Status)
    }
    doc, err := html.Parse(resp.Body)
    resp.Body.Close()
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("parsing %s as HTML: %v", url, err)
    }
    var links []string
    visitNode := func(n *html.Node) {
        if n.Type == html.ElementNode && n.Data == "a" {
            for _, a := range n.Attr {
                if a.Key != "href" {
                    continue
                }
                link, err := resp.Request.URL.Parse(a.Val)
                if err != nil {
                    continue // ignore bad URLs
                }
                links = append(links, link.String())
            }
        }
    }
    forEachNode(doc, visitNode, nil)
    return links, nil
}

上面的代码对之前的版本做了改进，现在links中存储的不是href属性的原始值，而是通过resp.Request.URL解析后的值。解析后，这些连接以绝对路径的形式存在，可以直接被http.Get访问。

网页抓取的核心问题就是如何遍历图。在topoSort的例子中，已经展示了深度优先遍历，在网页抓取中，我们会展示如何用广度优先遍历图。在第8章，我们会介绍如何将深度优先和广度优先结合使用。

下面的函数实现了广度优先算法。调用者需要输入一个初始的待访问列表和一个函数f。待访问列表中的每个元素被定义为string类型。广度优先算法会为每个元素调用一次f。每次f执行完毕后，会返回一组待访问元素。这些元素会被加入到待访问列表中。当待访问列表中的所有元素都被访问后，breadthFirst函数运行结束。为了避免同一个元素被访问两次，代码中维护了一个map。

gopl.io/ch5/findlinks3

// breadthFirst calls f for each item in the worklist.
// Any items returned by f are added to the worklist.
// f is called at most once for each item.
func breadthFirst(f func(item string) []string, worklist []string) {
    seen := make(map[string]bool)
    for len(worklist) > 0 {
        items := worklist
        worklist = nil
        for _, item := range items {
            if !seen[item] {
                seen[item] = true
                worklist = append(worklist, f(item)...)
            }
        }
    }
}

就像我们在章节3解释的那样，append的参数“f(item)...”，会将f返回的一组元素一个个添加到worklist中。

在我们网页抓取器中，元素的类型是url。crawl函数会将URL输出，提取其中的新链接，并将这些新链接返回。我们会将crawl作为参数传递给breadthFirst。

func crawl(url string) []string {
    fmt.Println(url)
    list, err := links.Extract(url)
    if err != nil {
        log.Print(err)
    }
    return list
}

为了使抓取器开始运行，我们用命令行输入的参数作为初始的待访问url。

func main() {
    // Crawl the web breadth-first,
    // starting from the command-line arguments.
    breadthFirst(crawl, os.Args[1:])
}

让我们从 https://golang.org 开始，下面是程序的输出结果：

$ go build gopl.io/ch5/findlinks3
$ ./findlinks3 https://golang.org
https://golang.org/
https://golang.org/doc/
https://golang.org/pkg/
https://golang.org/project/
https://code.google.com/p/go-tour/
https://golang.org/doc/code.html
https://www.youtube.com/watch?v=XCsL89YtqCs
http://research.swtch.com/gotour

当所有发现的链接都已经被访问或电脑的内存耗尽时，程序运行结束。

练习5.10： 重写topoSort函数，用map代替切片并移除对key的排序代码。验证结果的正确性（结果不唯一）。

练习5.11： 现在线性代数的老师把微积分设为了前置课程。完善topSort，使其能检测有向图中的环。

练习5.12： gopl.io/ch5/outline2（5.5节）的startElement和endElement共用了全局变量depth，将它们修改为匿名函数，使其共享outline中的局部变量。

练习5.13： 修改crawl，使其能保存发现的页面，必要时，可以创建目录来保存这些页面。只保存来自原始域名下的页面。假设初始页面在golang.org下，就不要保存vimeo.com下的页面。

练习5.14： 使用breadthFirst遍历其他数据结构。比如，topoSort例子中的课程依赖关系（有向图）、个人计算机的文件层次结构（树）；你所在城市的公交或地铁线路（无向图）。

5.6.1. 警告：捕获迭代变量

本节，将介绍Go词法作用域的一个陷阱。请务必仔细的阅读，弄清楚发生问题的原因。即使是经验丰富的程序员也会在这个问题上犯错误。

考虑这样一个问题：你被要求首先创建一些目录，再将目录删除。在下面的例子中我们用函数值来完成删除操作。下面的示例代码需要引入os包。为了使代码简单，我们忽略了所有的异常处理。

var rmdirs []func()
for _, d := range tempDirs() {
    dir := d // NOTE: necessary!
    os.MkdirAll(dir, 0755) // creates parent directories too
    rmdirs = append(rmdirs, func() {
        os.RemoveAll(dir)
    })
}
// ...do some work…
for _, rmdir := range rmdirs {
    rmdir() // clean up
}

你可能会感到困惑，为什么要在循环体中用循环变量d赋值一个新的局部变量，而不是像下面的代码一样直接使用循环变量dir。需要注意，下面的代码是错误的。

var rmdirs []func()
for _, dir := range tempDirs() {
    os.MkdirAll(dir, 0755)
    rmdirs = append(rmdirs, func() {
        os.RemoveAll(dir) // NOTE: incorrect!
    })
}

问题的原因在于循环变量的作用域。在上面的程序中，for循环语句引入了新的词法块，循环变量dir在这个词法块中被声明。在该循环中生成的所有函数值都共享相同的循环变量。需要注意，函数值中记录的是循环变量的内存地址，而不是循环变量某一时刻的值。以dir为例，后续的迭代会不断更新dir的值，当删除操作执行时，for循环已完成，dir中存储的值等于最后一次迭代的值。这意味着，每次对os.RemoveAll的调用删除的都是相同的目录。

通常，为了解决这个问题，我们会引入一个与循环变量同名的局部变量，作为循环变量的副本。比如下面的变量dir，虽然这看起来很奇怪，但却很有用。

for _, dir := range tempDirs() {
    dir := dir // declares inner dir, initialized to outer dir
    // ...
}

这个问题不仅存在基于range的循环，在下面的例子中，对循环变量i的使用也存在同样的问题：

var rmdirs []func()
dirs := tempDirs()
for i := 0; i < len(dirs); i++ {
    os.MkdirAll(dirs[i], 0755) // OK
    rmdirs = append(rmdirs, func() {
        os.RemoveAll(dirs[i]) // NOTE: incorrect!
    })
}

如果你使用go语句（第八章）或者defer语句（5.8节）会经常遇到此类问题。这不是go或defer本身导致的，而是因为它们都会等待循环结束后，再执行函数值。