クロージャ
C++11規格以降でラムダ式が使えるようになった。なお、以下のようにローカル変数のキャプチャの方法を制御することができる。詳細はC++11を参照。
Schemeは完全な静的スコープのクロージャを持つ最初の言語として登場した。Common Lispはそれを取り入れた。実質的にすべての関数型言語(Scala、Haskell、OCamlなど)とSmalltalkに由来するオブジェクト指向言語は何らかの形でクロージャを持っている。
クラスを使用するオブジェクト指向言語では、完全なクロージャになるにはメソッドの中でクラス定義できることが必要だが、メソッドあるいは関数の中でラムダ式/無名関数が使え、その中から外のローカル変数を読み書きできれば、一般的にはそのプログラミング言語はクロージャを使えるとみなされる。よって、クロージャを持つ言語には、C#(3.0以降)、C++(C++11以降)、ECMAScript(JavaScriptを含む)、Groovy、Java(8以降)、Perl、Python、Ruby、PHP(5.3以降)、Lua、Squirrelなどがある。
セマンティクスはそれぞれ大きく異なっているが、多くの現代的な汎用のプログラミング言語は静的スコープとクロージャのいくつかのバリエーションを持っている。
Java 7 以前では、メソッド内部に「ローカルクラス」あるいは「匿名クラス」を定義することで似たようなことができる。ローカルクラス/匿名クラスからは、そのメソッドの final (リードオンリー)なローカル変数を、ローカルクラス/匿名クラスのフィールドと名前が衝突しない限り、参照できる。
要素が1つの配列を final な参照で保持すれば、クロージャで1つのローカル変数を参照する機能をエミュレートできる。内部クラスはその参照の値そのものを変えることはできないが、参照されている配列の要素の値は変えることができるからである。このテクニックはJavaに限ったものではなく、Pythonなど似た制限を持つ言語でも有効である。
Javaに完全なクロージャを追加するという言語拡張が検討されていた。様々な問題により、クロージャを導入せずに、関数型インタフェースを実装するための簡便な表記法(ラムダ式)が Java 8 にて導入された。
さらなる違いは静的スコープである制御構文、C言語風の言語における return・break・continue などにおいて現れる。ECMAScriptなどの言語では、これらはクロージャ毎に束縛され、構文上の束縛を隠蔽する。つまり、クロージャ内からの return はクロージャを呼び出したコードに制御を渡す。しかしSmalltalkでは、このような動作はトップレベルでしか起こらず、クロージャに捕捉される。例を示して、この違いを明らかにする。
Smalltalkにおける ^ はECMAScriptにおける return にあたるものだと頭に入れれば、一目見た限りではどちらのコードも同じことをするように見える。違いは、ECMAScriptの例では return はクロージャを抜けるが関数 foo は抜けず、Smalltalkの例では ^ はクロージャだけではなくメソッド foo をも抜ける、という点である。後者の特徴はより高い表現力をもたらす。Smalltalkの do: は通常のメソッドであり、自然に制御構文が定義できている。一方、ECMAScriptでは return の意味が変わってしまうので、同じ目的には foreach という新しい構文を導入しなければならない。
しかし、スコープを越えて生存する継続には問題もある。
上の例でメソッド foo が返すブロックが実行されたとき、foo から値を返そうとする。しかし、foo の呼び出しは既に完了しているので、この操作はエラーとなる。
クロージャは典型的には関数コードへのポインタ及び関数の作成時の環境の表現(例えば、使用可能な変数とその値の集合など)を含む特別なデータ構造によって実装される。
ある言語処理系の実行時のメモリモデルがすべてのローカル変数を線形なスタックに確保するものであれば、クロージャを完璧に実装するのは容易ではない。それは、以下のような理由による。
クロージャをつくった関数(エンクロージャ)の呼び出し元に復帰した際に、クロージャが参照するスタック上のローカル変数(レキシカル変数)が解放されてしまう。しかしクロージャにはレキシカル変数がエンクロージャの終了後も存続することが必要である。したがってレキシカル変数は必要がなくなるまで存続するように確保されなければならない。
クロージャが実行された時に、レキシカル変数のスタック上の位置を知ることは困難である。
第1の問題を解決するために、クロージャを実装するプログラミング言語は大抵、ガベージコレクションを備えている。
C言語では、コールバックをサポートするライブラリ関数の中に、以下のように関数へのポインタと付随する任意のデータを指すためのポインタ(例えば汎用ポインタであるvoid*など)という2つの値を受け取るものがある。
ライブラリ関数callUserFunctionがコールバック関数callbackFunctionを実行するたび、実行コンテキストとしてデータポインタuserDataを使用する。これによってコールバックは状態を管理することができ、登録した任意の情報を参照できる。このイディオムはクロージャと機能面で似ているが、構文面では似ていない。