Lua的function、closure和upvalue

Lua 中的函数是一阶类型值(first-class value)，定义函数就象创建普通类型值一样(只不过函数类型值的数据主要是一条条指令而已)，所以在函数体中仍然可以定义函数。假设函数f2定义在函数f1中，那么就称f2为f1的内嵌(inner)函数，f1为f2的外包(enclosing)函数，外包和内嵌都具有传递性，即f2的内嵌必然是f1 的内嵌，而f1的外包也一定是f2的外包。内嵌函数可以访问外包函数已经创建的所有局部变量，这种特性便是所谓的词法定界(lexical scoping)，而这些局部变量则称为该内嵌函数的外部局部变量(external local variable)或者upvalue(这个词多少会让人产生误解，因为upvalue实际指的是变量而不是值)。试看如下代码：

function f1(n) -- 函数参数也是局部变量
  local function f2()
   print(n) -- 引用外包函数的局部变量
  end
  return f2
end
g1 = f1(1979)
g1() -- 打印出1979g2 = f1(500)g2() -- 打印出500

当执行完g1 = f1(1979)后，局部变量n的生命本该结束，但因为它已经成了内嵌函数f2(它又被赋给了变量g1)的upvalue，所以它仍然能以某种形式继续“存活”下来，从而令g1()打印出正确的值。
可为什么g2与g1的函数体一样(都是f1的内嵌函数f2的函数体)，但打印值不同？这就涉及到一个相当重要的概念——闭包(closure)。事实上，Lua编译一个函数时，会为它生成一个原型(prototype)，其中包含了函数体对应的虚拟机指令、函数用到的常量值(数，文本字符串等等)和一些调试信息。在运行时，每当Lua执行一个形如function...end 这样的表达式时，它就会创建一个新的数据对象，其中包含了相应函数原型的引用、环境(environment，用来查找全局变量的表)的引用以及一个由所有upvalue引用组成的数组，而这个数据对象就称为闭包。由此可见，函数是编译期概念，是静态的，而闭包是运行期概念，是动态的。g1和g2的值严格来说不是函数而是闭包，并且是两个不相同的闭包，而每个闭包可以保有自己的upvalue值，所以g1和g2打印出的结果当然就不一样了。虽然闭包和函数是本质不同的概念，但为了方便，且在不引起混淆的情况下，我们对它们不做区分。

使用upvalue很方便，但它们的语义也很微妙，需要引起注意。比如将f1函数改成：
function f1(n)
  local function f2()
     print(n)
     end
   n = n + 10
   return f2
end
g1 = f1(1979)g1() -- 打印出1989
内嵌函数定义在n = n + 10这条语句之前，可为什么g1()打印出的却是1989？upvalue实际是局部变量，而局部变量是保存在函数堆栈框架上(stack frame)的，所以只要upvalue还没有离开自己的作用域，它就一直生存在函数堆栈上。这种情况下，闭包将通过指向堆栈上的upvalue的引用来访问它们，一旦upvalue即将离开自己的作用域(这也意味着它马上要从堆栈中消失)，闭包就会为它分配空间并保存当前的值，以后便可通过指向新分配空间的引用来访问该upvalue。当执行到f1(1979)的n = n + 10时，闭包已经创建了，但是n并没有离开作用域，所以闭包仍然引用堆栈上的n，当return f2完成时，n即将结束生命，此时闭包便将n(已经是1989了)复制到自己管理的空间中以便将来访问。弄清楚了内部的秘密后，运行结果就不难解释了。

upvalue还可以为闭包之间提供一种数据共享的机制。试看下例：
function Create(n)
  local function foo1()
    print(n)
  end
  local function foo2()
    n = n + 10
  end
  return foo1,foo2
end
f1,f2 = Create(1979)
f1() -- 打印1979
f2() f1() -- 打印1989
f2() f1() -- 打印1999
f1, f2这两个闭包的原型分别是Create中的内嵌函数foo1和foo2，而foo1和foo2引用的upvalue是同一个，即Create的局部变量 n。前面已说过，执行完Create调用后，闭包会把堆栈上n的值复制出来，那么是否f1和f2就分别拥有一个n的拷贝呢？其实不然，当Lua发现两个闭包的upvalue指向的是当前堆栈上的相同变量时，会聪明地只生成一个拷贝，然后让这两个闭包共享该拷贝，这样任一个闭包对该upvalue进行修改都会被另一个探知。上述例子很清楚地说明了这点：每次调用f2都将upvalue的值增加了10，随后f1将更新后的值打印出来。upvalue的这种语义很有价值，它使得闭包之间可以不依赖全局变量进行通讯，从而使代码的可靠性大大提高。