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4 関数閉包(closure)

関数をデータとして扱った場合のfunarg問題は，関数を定義した時点の環境とその関数が実行される場合の環境との二つの環境の区別を明確にしてない場合におこります．関数に環境を付加したものをクロージャとしてとりあつかうことで，この問題を解決することができます．クロージャは関数をデータとして扱うために考えられたものです．関数をデータとして扱う場合には，関数を定義した時点の環境とその関数が実行される場合の環境との二つの環境をどのように区別するかということが問題となります．そこで，CommonLispでは，関数データが定義された時点の局所変数の環境データをすべてその関数データの中に保存した形の関数データを考え，取り扱えるようになっています．そのように環境も保存した関数データであるためにクロージャと呼ばれます． CommonLispではクロージャが定義された時の局所変数のみ（変数以外では，局所関数，タグ，局所マクロ，ブロックなども保存される）を保存するために，レキシカルクロージャ(lexical closure)と呼ばれます． functionというスペシャルフォームに与えられた関数シンボルあるいはラムダ式は，レキシカルクロージャを返します．クロージャは，そのクロージャが生成される際の変数のバインディング情報が閉じ込められた関数定義です．そして，レキシカルクロージャとは，スコープがレキシカルのルールにのっとっているクロージャです．クロージャはいわば環境を伴った関数データといえます． functionは通常#'というリードマクロで使われていますが，これを用いた関数を返す関数はクロージャと呼ばれるデータ構造を作ります．たとえば，ある初期値をもらいその初期値に対して掛ける値をもらい，その結果を初期値の新しい値としてその変数に記憶しておくという関数を作る関数testを以下のように定義します．


(defun test (x) #'(lambda (y) (setq x (* y x)) x))
;;(defun test (x)
;; (function (lambda (y) (setq x (* y x)) x)))
;; と同じです．

この関数testを引数を与えて呼ぶと新たな関数が定義されることになります．たとえば，引数として１と２を与えたものを以下のように作れば，

> (setq x1 (test 1))

#<CLOSURE :LAMBDA (Y) (SETQ X (* Y X)) X>
> (setq x2 (test 2))

#<CLOSURE :LAMBDA (Y) (SETQ X (* Y X)) X>

変数x1, x2が表すものは別の関数クロージャとなります．これらの関数クロージャはfuncallにより呼び出すことが可能です．以下のようにx1に対して同じ引数5を与えても計算結果は 5, 25と変わってきています．それは，関数testの引数xに計算結果が保存されるという形の関数定義になっているからです．

> (funcall x1 5)
5
> (funcall x1 5)
25
> (funcall x2 5)
10
> (funcall x2 5)
50
> (funcall x1 5)
125
> (funcall x2 5)
250

このように，クロージャを返す関数の場合，関数への引数はクロージャの中に保存されます．つまり，その引数はクロージャの評価環境として残り続けるというわけです．では，どの範囲のものが残り続けるかといえば，そのクロージャが定義された関数時の局所変数です．たとえば，局所変数を作るletを用いて，


(defun let-closure (z)
  (let ((x 1))
    #'(lambda (y) (setq x (* x y) z (* z y)) (list x y z))))

という関数let-closureを定義すると，(let-clousre 1)や(let-closure 2)などのように呼び出すことでそれぞれ異なるクロージャが定義されます．


> (setq l1 (let-closure 1))

#<CLOSURE :LAMBDA (Y)
 (SETQ X (* X Y) Z (* Z Y)) (LIST X Y Z)>
> (setq l2 (let-closure 2))

#<CLOSURE :LAMBDA (Y)
 (SETQ X (* X Y) Z (* Z Y)) (LIST X Y Z)>

;;; 古いFranz CL(Allegro CL 3.0.1.beta)の場合．
> (setq l1 (let-closure 1))
(EXCL::.LEXICAL-CLOSURE. 
  (LAMBDA (Y) (SETQ X (* X Y) Z (* Z Y))
              (LIST X Y Z))
       ((X . 1) (Z . 1)) NIL
       ((LET-CLOSURE . EXCL::INVALID)) NIL) 
> (setq l2 (let-closure 2))
(EXCL::.LEXICAL-CLOSURE. 
  (LAMBDA (Y) (SETQ X (* X Y) Z (* Z Y))
              (LIST X Y Z))
       ((X . 1) (Z . 2)) NIL
       ((LET-CLOSURE . EXCL::INVALID)) NIL)

この関数クロージャの生成時においては，変数x，z が局所変数であり，これら二つの変数の値が保存された形でクロージャが生成されています． l1,l2をそれぞれfuncallにより実行すると以下のようにx,y,zの値を返します．


> (funcall l1 5)
(5 5 5)
> (funcall l1 5)
(25 5 25)
> (funcall l2 5)
(5 5 10)
> (funcall l2 5)
(25 5 50)
> (funcall l1 5)
(125 5 125)
> (funcall l2 5)
(125 5 250)

generated through LaTeX2HTML. M.Inaba 平成18年5月6日