随身带着声明时的环境 — 闭包

一句话总结

树遍历解释器（tree-walking interpreter）为 AST 的每种节点写一个函数，规定“遇到这种节点就计算什么”。名字在环境（environment，一条链：字典里是名字到值的映射，并指向外层环境）中查找，而函数值会携带声明时的环境一起走。这就是闭包。

为什么需要它

第 6 个模块的字节码 VM 和第 8 个模块的机器码虽然快，但离“定义含义”太远。“&& 的左边为假就不计算右边”“块结束后内层的名字就消失”“函数看到的是它被声明之处的变量”，这样的规则，最直截了当的写法就在树解释器里。所以本课程把解释器当作基准。后面的 VM 和原生代码，运行同一个程序时，必须输出与解释器相同的行才算正确。

不过，“直截了当地写”并不等于“容易”。用 Python 写解释器，Python 的含义会悄悄混进来。

Python 的整数可以无限增大，而 mini 的整数在 64 位处回绕（9223372036854775807 + 1 是负数）。因为机器码就是这样做的。
Python 的 -7 // 2 是 -4，而 mini 的 -7 / 2 和 C 一样是 -3。
在 Python 里 True == 1，而且 isinstance(True, int) 也为真。在 mini 里，1 == true 是运行时错误。

如果定义含义的一方漏掉了这些，后面所有的实现都会按错误的基准来对齐。

工作原理

环境是一条链。每进入一个块、每调用一次函数，就创建一个新环境，并让它指向父环境。查找名字时沿着链向上走，而赋值则修改这个名字所在环境里的那一格——不会在当前环境里新建一个。

fn counter(start) {           counter(10) 을 부르면
  let n = start;                [호출 환경 {start:10, n:10}] → [전역 {counter, …}]
  fn next() { n = n + 1;        next 를 선언하는 순간, 함수 값 = (next 의 선언, 지금 환경)
              return n; }
  return next;                 counter 가 끝나도 호출 환경은 next 가 붙잡고 있어 살아남는다
}
let a = counter(10);           a() → 새 환경 {} → 부모는 붙잡아 둔 호출 환경 → n 을 11 로
print a(); print a();          11, 12 — 같은 칸을 바꾸기 때문에 이어진다

关键在于，函数值的父环境，是声明时的环境，而不是调用时的环境（静态作用域）。如果把调用时的环境作为父环境（动态作用域），a() 就找不到 counter 的 n，而且如果全局里有同名的名字，就会莫名其妙地改掉那个全局的。闭包把环境复制走同样不对——两个抓住同一个环境的函数（一个把值加一，一个读取值）就会看到不同的格子。

return 一次就要跳出好几层。while 里的 if 里的 return，必须直接回到调用的位置。在 Python 中，最简单的办法是抛出一个异常（ReturnSignal），在调用位置捕获。调用结束后，必须把调用深度恢复，而在靠异常跳出的路径上很容易漏掉这一步（这正是需要 finally 的地方）。

运行时错误标在运算符的位置。在 a / b 中，如果 b 是 0，就以 / 的行:列报出 “runtime error: division by zero”。语义分析不知道而放过的类型（作为参数传进来的 true），也在这里被抓住。同时存活的调用超过 200 个，就以 “stack overflow” 停止——如果先碰到了 Python 自己的递归上限，用户看到的就会是 Python 的错误。

在现场相遇的样子

CPython 的 nonlocal。在 Python 闭包里，要给外层变量赋值，必须写 nonlocal。不写的话，赋值会在当前环境中创建一个新名字，这是它的规则——相当于选了与本模块“赋值修改名字所在那一格”正相反的默认值，由此产生的 UnboundLocalError，是 Python 初学者最常遇到的错误之一。
循环中的闭包。如果多个闭包抓住 JavaScript 里用 var 创建的循环变量，它们看到的都是同一个格子（最后的值）。let 之所以改成每次循环都创建新环境，原因就在这里。环境什么时候重新创建，本身就是语言的含义。
参考实现。很多语言会在规范文档之外，把一个“慢但直截了当”的解释器设为基准，再用它去对照快速的编译器是否得出同样的结果。本课程评分器做的事也是一样的。

下一项实验要做什么

在 interp.py 中做出值规则（64 位回绕、向 0 截断的除法、区分 bool 和 int）、环境链、表达式求值（短路求值与运行时类型检查）、语句与块、if 和 while、函数与闭包、return 和调用深度，以及从解析一直连到执行的 run_source。评分器会把几百对随机数、固定程序，以及 150 个随机程序打印出的行和运行时错误，与参考对照。