Q1：闭包捕获的变量怎么处理？#

在我们的虚拟机中，局部变量随函数而生，随函数而死（栈帧弹出）。但闭包需要变量「长生不老」，这就产生了一个矛盾：如何让一个本该在栈上销毁的变量，在堆中继续存在？

如果我们一开始的设计就是将所有局部变量都存储在堆上，那么闭包的实现就会非常简单，因为闭包可以直接通过引用来访问这些变量。并且在函数返回时，可以选择性地让被捕获变量不被销毁。但这种设计方式会导致性能问题，因为大多数局部变量并不需要被闭包捕获，存储在堆上会增加内存的分配。

另一个想法就是将被捕获的变量存储在堆上，这样函数调用结束后，局部变量仍然存在于堆上，闭包可以通过引用来访问这些变量。

明晰了这个思路后，我们可以将闭包捕获的变量分为两个阶段：

1. Open 阶段：当闭包捕获一个局部变量但还未返回时，这个变量处于 Open 状态，此时它仍然存储在栈帧中，我们可以直接在当前栈帧外访问和修改该变量；
2. Closed 阶段：当闭包捕获一个局部变量并且函数调用结束后，这个变量处于 Closed 状态，此时它已经被移动到堆上，我们需要通过引用来访问和修改该变量。

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enum UpvalueState {
2
    Open(usize),
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    Closed(ObjIndex),
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}

可以看到，在 Open 状态下，我们直接存储了被捕获变量在栈帧中的索引；而在 Closed 状态下，我们存储了被捕获变量在堆中的索引。

而这两个状态从 Open 转换到 Closed 的时机就是在函数调用结束时，当函数调用结束时，我们需要检查当前函数是否有被闭包捕获的变量，如果有，我们就将这些变量从栈帧中移动到堆上，并将它们的状态从 Open 转换为 Closed。

Q2：如何实现闭包？#

为了简化实现，我们可以在函数声明时额外增加一个操作码 OpCode::Closure，用于在运行时将函数包装为闭包。同时，该操作码还需要将被捕获变量存放到该闭包结构体当中，以便在函数调用结束后，我们能够通过该结构体直接访问这些变量：

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struct ObjClosure {
2
    /// The object index of function object.
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    pub func: ObjIndex,
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    /// List of upvalues.
5
    pub upvalues: [Option<Rc<RefCell<UpvalueState>>>; MAX_UPVALUE_SIZE],
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    /// The amount of upvalues.
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    pub upvalue_count: usize,
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}

这里我们通过 upvalues 字段来存储被捕获的变量，后续函数要访问被捕获变量时，可以直接访问该数组。

Q3：为什么要在运行时将函数包装为闭包？#

闭包结构体用于访问被捕获变量，所以需要确定被捕获变量的位置（栈索引or堆索引）。

而像有些特殊情况（例如被捕获变量是用户传入的参数）只有在运行时我们才能知道被捕获变量的具体位置：

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fun outer(x) {
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    fun inner() {
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        print(x);
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    }
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    return inner;
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}
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let a = outer("Hello, ");
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let b = outer("Lox");
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a();
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b();

上述代码中，inner 函数捕获了 outer 函数的参数 x。

• 对于 inner 函数来说，它捕获的是 outer 函数中栈帧的第一个元素；
• 但是对 outer 函数来说，它在运行时才能获取到 x 的实参字符串在堆中的索引。

简单来说，编译器只知道 x 是第几个参数，但具体 x 此时指向的是字符串 Hello, 还是 Lox，只有运行时运行到那里才知道。

Q4：如何访问闭包捕获的变量呢？#

在编译期，当我们识别到当前变量是被闭包捕获的变量时，我们需要在调用函数中标记这个变量，即存入当前调用函数的 upvalues 列表中。

后续被调用函数访问这个被捕获变量时，我们就可以通过访问调用函数的 upvalues 列表来获取被捕获变量的索引，从而访问到被捕获变量的值。

具体而言，就是在访问被捕获变量时先通过操作码 OpCode::GetUpvalue OpCode::SetUpvalue 解析并输出同步维护的栈索引来获取被捕获变量的索引，从而获取值，然后使用 Rc<RefCell<UpvalueState>> 包装，存入闭包结构体中。

TIP

这里我们使用 Rc<RefCell<UpvalueState>> 来包装被捕获变量的状态，是因为被捕获变量可能会被多个闭包捕获，而这些闭包可能会在不同的作用域中访问和修改这个变量，所以我们需要使用 Rc 来实现共享所有权，使用 RefCell 来实现内部可变性。

Q5：在运行时，被捕获变量如何存储到闭包结构体中？#

在运行时，OpCode::Closure 指令后面会跟着一串「捕获指南」。每条指南告诉 VM：这个值是来自父函数的栈，还是来自父函数已经捕获过的 Upvalue。

1. 如果这个值来自父函数的栈，那么我们就直接将这个值的栈索引存储到闭包结构体中；
2. 如果这个值来自父函数已经捕获过的 Upvalue，那么我们就将这个 Upvalue 存储到闭包结构体中。

这些「捕获指南」来自解析器维护的 upvalues 列表，用于存储当前函数被捕获变量「是否来自直接父函数」和「在当前闭包维护的 upvalues 列表中的索引信息」。这些索引信息在函数返回时被编译到字节码中：

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self.emit_with_constant_idx(OpCode::Closure, Value::Object(func_obj_idx));
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for v in upvalues.iter().flatten() {
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    self.emit_bytes(v.is_local, v.idx);
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}