JavaScript 指南 - 闭包

闭包

闭包通常被视作 JavaScript 的高级特性，但是，理解闭包对于掌握这门语言至关重要。

考虑如下的函数：

function init() {
  var name = "Mozilla";
  function displayName() {
    alert(name);
  }
  displayName();
}
init();

函数 init() 创建了一个局部变量 name，然后定义了名为 displayName() 的函数。 displayName() 是一个内部函数（inner function） — 定义于init() 之内且仅在该函数体内可用。displayName() 没有任何自己的局部变量，而是重用了声明在外围函数中的 name 变量。

这种方式没有什么问题 — 可以试试运行这段代码看看会发生什么。这就是所谓 函数作用域（functional scoping） 的一个例子：在 JavaScript 中, 变量的作用域是由它在源代码中所处的位置定义的，且嵌套的函数可以访问在其外层作用域中声明的变量。

现在来考虑如下的例子：

function makeFunc() {
  var name = "Mozilla";
  function displayName() {
    alert(name);
  }
  return displayName;
}

var myFunc = makeFunc();
myFunc();

运行这段代码的效果和之前的 init() 示例完全一样：字符串 "Mozilla" 将被显示在一个 JavaScript 警告框中。其中的不同 — 也是有意思的地方 — 在于displayName() 内部函数在执行前被从其外围函数中返回了。

这段代码看起来别扭却能正常运行。通常，函数中的局部变量仅在函数的执行期间可用。一旦 makeFunc() 执行过后，我们会很合理的认为 name 变量将不再可用。不过，既然代码运行的没问题，显然不是我们想象的那样。

这个谜题的答案是 myFunc 变成一个 闭包 了。 闭包是一种特殊的对象。它由两部分构成：函数，以及创建该函数的环境。环境由闭包创建时在作用域中的任何局部变量组成。在我们的例子中，myFunc 是一个闭包，由 displayName 函数和闭包创建时存在的 "Mozilla" 字符串形成。

下面是一个更有意思的示例 — makeAdder 函数：

function makeAdder(x) {
  return function(y) {
    return x + y;
  };
}

var add5 = makeAdder(5);
var add10 = makeAdder(10);

print(add5(2));  // 7
print(add10(2)); // 12

在这个示例中，我们定义了 makeAdder(x) 函数：带有一个参数 x 并返回一个新的函数。返回的函数带有一个参数 y，并返回 x 和 y 的和。

从本质上讲，makeAdder 是一个函数工厂 — 创建将指定的值和它的参数求和的函数，在上面的示例中，我们使用函数工厂创建了两个新函数 — 一个将其参数和 5 求和，另一个和 10 求和。

add5 和 add10 都是闭包。它们共享相同的函数定义，但是保存了不同的环境。在 add5 的环境中，x 为 5。而在 add10 中，x 则为 10。

实用的闭包

理论就是这些了 — 可是闭包确实有用吗？让我们看看闭包的实践意义。闭包允许将函数与其所操作的某些数据（环境）关连起来。这显然类似于面向对象编程。在面对象编程中，对象允许我们将某些数据（对象的属性）与一个或者多个方法相关联。

因而，一般说来，可以使用只有一个方法的对象的地方，都可以使用闭包。

在 Web 中，您可能想这样做的情形非常普遍。大部分我们所写的 Web JavaScript 代码都是事件驱动的 — 定义某种行为，然后将其添加到用户触发的事件之上（比如点击或者按键）。我们的代码通常添加为回调：响应事件而执行的函数。

以下是一个实际的示例：假设我们想在页面上添加一些可以调整字号的按钮。一种方法是以像素为单位指定 body 元素的 font-size，然后通过相对的 em 单位设置页面中其它元素（例如页眉）的字号：

body {
  font-family: Helvetica, Arial, sans-serif;
  font-size: 12px;
}

h1 {
  font-size: 1.5em;
}
h2 {
  font-size: 1.2em;
}

我们的交互式的文本尺寸按钮可以修改 body 元素的 font-size 属性，而由于我们使用相对的单位，页面中的其它元素也会相应地调整。

以下是 JavaScript：

function makeSizer(size) {
  return function() {
    document.body.style.fontSize = size + 'px';
  };
}

var size12 = makeSizer(12);
var size14 = makeSizer(14);
var size16 = makeSizer(16);

size12，size14 和 size16 为将 body 文本相应地调整为 12，14，16 像素的函数。我们可以将它们分别添加到按钮上（这里是链接）。如下所示：

document.getElementById('size-12').onclick = size12;
document.getElementById('size-14').onclick = size14;
document.getElementById('size-16').onclick = size16;
<a href="#" id="size-12">12</a>
<a href="#" id="size-14">14</a>
<a href="#" id="size-16">16</a>

在JSFIDDLE中查看

 

用闭包模拟私有方法

诸如 Java 在内的一些语言支持将方法声明为私有的，既它们只能被同一个类中的其它方法所调用。

对此，JavaScript 并不提供原生的支持，但是可以使用闭包模拟私有方法。私有方法不仅仅有利于限制对代码的访问：还提供了管理全局命名空间的强大能力，避免非核心的方法弄乱了代码的公共接口部分。

下面的示例展现了如何使用闭包来定义公共函数，且其可以访问私有函数和变量。这个方式也称为 模块模式（module pattern）：

var Counter = (function() {
  var privateCounter = 0;
  function changeBy(val) {
    privateCounter += val;
  }
  return {
    increment: function() {
      changeBy(1);
    },
    decrement: function() {
      changeBy(-1);
    },
    value: function() {
      return privateCounter;
    }
  }
})();

alert(Counter.value()); /* 提示 0 */
Counter.increment();
Counter.increment();
alert(Counter.value()); /* 提示 2 */
Counter.decrement();
alert(Counter.value()); /* 提示 1 */

这里有好多细节。在以往的示例中，每个闭包都有它自己的环境；而这次我们只创建了一个环境，为三个函数所共享：Counter.increment，Counter.decrement 和 Counter.value。

该共享环境创建于一个匿名函数体内，该函数一经定义立刻执行。环境中包含两个私有项：名为 privateCounter 的变量和名为 changeBy 的函数。 这两项都无法在匿名函数外部直接访问。必须通过匿名包装器返回的三个公共函数访问。

这三个公共函数是共享同一个环境的闭包。多亏 JavaScript 的词法范围的作用域，它们都可以访问 privateCounter 变量和 changeBy 函数。

您应该注意到了，我们定义了一个匿名函数用于创建计数器，然后直接调用该函数，并将返回值赋给 Counter 变量。也可以将这个函数保存到另一个变量中，以便创建多个计数器。

var makeCounter = function() {
  var privateCounter = 0;
  function changeBy(val) {
    privateCounter += val;
  }
  return {
    increment: function() {
      changeBy(1);
    },
    decrement: function() {
      changeBy(-1);
    },
    value: function() {
      return privateCounter;
    }
  }
};

var Counter1 = makeCounter();
var Counter2 = makeCounter();
alert(Counter1.value()); /* 提示 0 */
Counter1.increment();
Counter1.increment();
alert(Counter1.value()); /* 提示 2 */
Counter1.decrement();
alert(Counter1.value()); /* 提示 1 */
alert(Counter2.value()); /* 提示 0 */

请注意两个计数器是如何维护它们各自的独立性的。每次调用 makeCounter() 函数期间，其环境是不同的。每次调用中， privateCounter 中含有不同的实例。

这种形式的闭包提供了许多通常由面向对象编程U所享有的益处，尤其是数据隐藏和封装。

在循环中创建闭包：一个常见错误

在 JavaScript 1.7 引入 let 关键字 之前，闭包的一个常见的问题发生于在循环中创建闭包。参考下面的示例：

<p id="help">Helpful notes will appear here</p>
<p>E-mail: <input type="text" id="email" name="email"></p>
<p>Name: <input type="text" id="name" name="name"></p>
<p>Age: <input type="text" id="age" name="age"></p>
function showHelp(help) {
  document.getElementById('help').innerHTML = help;
}

function setupHelp() {
  var helpText = [
      {'id': 'email', 'help': 'Your e-mail address'},
      {'id': 'name', 'help': 'Your full name'},
      {'id': 'age', 'help': 'Your age (you must be over 16)'}
    ];

  for (var i = 0; i < helpText.length; i++) {
    var item = helpText[i];
    document.getElementById(item.id).onfocus = function() {
      showHelp(item.help);
    }
  }
}

setupHelp();

在JSFIDDLE中查看

数组 helpText 中定义了三个有用的提示信息，每一个都关联于对应的文档中的输入域的 ID。通过循环这三项定义，依次为每一个输入域添加了一个onfocus 事件处理函数，以便显示帮助信息。

运行这段代码后，您会发现它没有达到想要的效果。无论焦点在哪个输入域上，显示的都是关于年龄的消息。

该问题的原因在于赋给 onfocus 的函数是闭包；它们由函数定义和记录自 setupHelp 函数作用域的环境构成。一共创建了三个闭包，但是它们都共享同一个环境。在 onfocus 的回调被执行时，循环早已经完成，且此时 item 变量（由所有三个闭包所共享）已经指向了 helpText 列表中的最后一项。

解决这个问题的一种方案是使用更多的闭包：特别是使用前文所述的函数工厂。

function showHelp(help) {
  document.getElementById('help').innerHTML = help;
}

function makeHelpCallback(help) {
  return function() {
    showHelp(help);
  };
}

function setupHelp() {
  var helpText = [
      {'id': 'email', 'help': 'Your e-mail address'},
      {'id': 'name', 'help': 'Your full name'},
      {'id': 'age', 'help': 'Your age (you must be over 16)'}
    ];

  for (var i = 0; i < helpText.length; i++) {
    var item = helpText[i];
    document.getElementById(item.id).onfocus = makeHelpCallback(item.help);
  }
}

setupHelp();

在JSFIDDLE中查看

这段代码可以如我们所期望的那样工作。所有的回调不再共享同一个环境， makeHelpCallback 函数为每一个回调创建一个新的环境。在这些环境中，help 指向 helpText 数组中对应的字符串。

性能考量

如果不是因为某些特殊任务而需要闭包，在没有必要的情况下，在其它函数中创建函数是不明智的，因为闭包对脚本性能具有负面影响，包括处理速度和内存消耗。

例如，在创建新的对象或者类时，方法通常应该关联于对象的原型，而不是定义到对象的构造器中。原因是这将导致每次构造器被调用，方法都会被重新赋值一次（也就是说，为每一个对象的创建）。

考虑以下虽然不切实际但却说明问题的示例：

function MyObject(name, message) {
  this.name = name.toString();
  this.message = message.toString();
  this.getName = function() {
    return this.name;
  };

  this.getMessage = function() {
    return this.message;
  };
}

上面的代码并未利用到闭包的益处，因此，应该修改为如下常规形式：

function MyObject(name, message) {
  this.name = name.toString();
  this.message = message.toString();
}
MyObject.prototype = {
  getName: function() {
    return this.name;
  },
  getMessage: function() {
    return this.message;
  }
};

或者改成：

function MyObject(name, message) {
  this.name = name.toString();
  this.message = message.toString();
}
MyObject.prototype.getName = function() {
  return this.name;
};
MyObject.prototype.getMessage = function() {
  return this.message;
};

在前面的两个示例中，继承的原型可以为所有对象共享，且不必在每一次创建对象时定义方法。参见 对象模型的细节 一章可以了解更为详细的信息。

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