解密R語言函式的環境空間
前言
本文接上一篇文章揭開R語言中環境空間的神祕面紗，繼續介紹R語言中函式的環境空間。
R語言的函式環境空間，具有動態性，可以讓我們用更少的程式碼構建出更復雜的應用來。
目錄
- R語言的函式環境空間
- 封閉環境
- 繫結環境
- 執行環境
- 呼叫環境
- 完整的環境操作
1. R語言的函式環境空間
在R語言中，變數、物件、函式都存在於環境空間中，而函式又可以有自己的環境空間，我們可以在函式內再定義變數、物件和函式，迴圈往復就形成了我們現在用的R語言環境系統。
一般情況，我們可以通過new.env()去建立一個環境空間，但更多的時候，我們使用的是函式環境空間。
函式環境空間，包括4方面的內容：
- 封閉環境，每個函式都有一個且只有一個封閉環境空間，指向函式定義的環境空間。
- 繫結環境，給函式指定一個名字，繫結到函式變數，如fun1<-function(){1}。
- 執行環境，當函式執行時，在記憶體中動態產生的環境空間，執行結束後，會自動銷燬。
- 呼叫環境，是指在哪個環境中進行的方法呼叫，如fun1<-function(){fun2()}，函式fun2在函式fun1被呼叫。
本文的系統環境
- Win7 64bit
- R: 3.0.1 x86_64-w64-mingw32/x64 b4bit
2. 封閉環境
封閉環境，比較好理解，是對函式空間的一個靜態定義，在函式定義時指向所在的環境空間，通過environment()函式，來檢視封閉環境。
我們在當前的環境空間，定義一個函式f1，檢視f1函式的封閉環境為 R_GlobalEnv。
> y <- 1
> f1 <- function(x) x + y
> environment(f1)
<environment: R_GlobalEnv>
再定義一個函式f2，讓f2函式呼叫f1函式，檢視f2的函式的封閉環境為 R_GlobalEnv。
> f2 <- function(x){
+ f1()+y
+ }
> environment(f2)
<environment: R_GlobalEnv>
所以，封閉環境是在定義的時候設定的，與具體執行時環境，沒有關係。
3. 繫結環境
繫結環境，就是把函式的定義和呼叫，通過函式變數連起來。
比如，我們新建一個環境空間e,在e定義一個函式g，就當相於把一個函式繫結到g變數，通過找到e環境空間中的g變數，就可以呼叫這個函式。
# 新建一個環境空間
> e <- new.env()
# 繫結一個函式到e$g
> e$g <- function() 1
# 檢視函式g的定義
> e$g
function() 1
# 執行函式g
> e$g()
[1] 1
在環境空間e中，再定義一個巢狀函式e$f
# 繫結一個函式到e$f
> e$f <- function() {
+ function () 1
+ }
#檢視函式f的定義
> e$f
function() {
function () 1
}
# 呼叫函式f，返回巢狀的匿名函式定義
> e$f()
function () 1
<environment: 0x000000000dbc0a28>
# 呼叫函式f，和巢狀匿名函式，得到結果
> e$f()()
[1] 1
檢視函式g和f的封閉環境。
# 函式g和f的封閉環境
> environment(e$g)
<environment: R_GlobalEnv>
> environment(e$f)
<environment: R_GlobalEnv>
# f內部的匿名函式的封閉環境
> environment(e$f())
<environment: 0x000000000d90b0b0>
# 匿名函式的父函式的封閉環境
> parent.env(environment(e$f()))
<environment: R_GlobalEnv>
我們看到e$g和e$f的封閉環境，都是當前環境R_GlobalEnv。而e$f()的匿名函式的封閉環境，是當前環境的子環境，也就是e$f函式的環境空間。
4. 執行環境
執行環境，是函式被呼叫時，產生的記憶體環境。執行環境是臨時的，當函式執行完成後，執行環境會被自動銷燬。在執行環境中的，定義的變數、物件和函式，也是動態建立的，隨著記憶體釋放而銷燬。
定義一個函式g，在函式g中，有臨時變數a和引數x。
> g <- function(x) {
+ if (!exists("a", inherits = FALSE)) {
+ a<-1
+ }
+ a<-a+x
+ a
+ }
# 呼叫函式g
> g(10)
[1] 11
> g(10)
[1] 11
呼叫2次函式g，執行結果都是11。我們可以看出，變數a在g函式中為臨時變數，沒有進行持有化，每次都是新的。
增加一些輸出資訊，我們再來看看，這個函式的執行情況。
> g <- function(x) {
+ message("Runtime function") # 增加註釋
+ print(environment()) # 列印執行時環境
+ if (!exists("a", inherits = FALSE)) {
+ a<-1
+ }
+ a<-a+x
+ a
+ }
# 呼叫函式g
> g(10)
Runtime function
<environment: 0x000000000e447380>
[1] 11
> g(10)
Runtime function
<environment: 0x000000000d2fa218>
[1] 11
我們還是呼叫2次g函式，看到print(environment()) 的輸出，有2次不同的環境地址 0x000000000e447380，0x000000000d2fa218。說明函式的執行時環境，是記憶體臨時分配的。
5. 呼叫環境
呼叫環境，是指函式是在哪個環境中被呼叫的。匿名函式通常是在定義的封閉環境中被呼叫。
我們定義一個巢狀的函式h，包括一個匿名函式。
> h <- function() {
+ x <- 5
+ function() {
+ x
+ }
+ }
# 呼叫函式h，把h函式內部的匿名函式賦值給r1
> r1 <- h()
# 在當前環境定義變數x
> x <- 10
# 呼叫函式r1
> r1()
[1] 5
r1函式執行後的結果為5，說明r1函式獲得的是匿名函式查所在的封閉環境的x值，而不是r1變數所在的當前環境的x值。
我們把程式碼稍後修改，在函式h中，定義2個x變數。用<<-給第二個x變數賦值，相當於給父環境空間中的x變數賦值。
> h <- function() {
+ x <- 10
+ x <<- 5
+ function() {
+ x
+ }
+ }
# 呼叫函式h
> r1 <- h()
# 呼叫函式r1
> r1()
[1] 10
# 當前空間的變數x
> x
[1] 5
r1函式執行後的結果為10，說明r1函式獲得的是匿名函式查所在的封閉環境的x值10，而不是通過<<-賦值的父環境中的x的值。
6. 完整的環境操作
接下來，把函式環境空間的操作放到一起，做一個完整環境的說明。
圖片解釋：
- 1. 藍色圓圈，表示函式封閉，始終指向函式定義環境空間。
- 2. 粉色長方形，表示已載入的包環境空間，包括R_GlobalEnv, base, R_EmptyEnv等
- 3. 綠色長方形，表示已定義的函式環境空間。
- 4. 綠色長方形內的白色長方形，表示命名函式，包括fun1,fun2。
- 5. 不在綠色長方形內白色長方形，表示已定義的匿名函式。
- 6. 在長方形內的粉色小正方形，表示在環境空間中定義的變數，包括x,fx,f2。
- 7. 橙色小正方形，表示在記憶體中的變數值，包括5，2，1。
- 8. 黑色直線，表示變數的賦值。
- 8. 藍色直線，表示指向封閉環境空間。
- 9. 橙色直線，表示函式呼叫過程。
- 10. 程式執行時，產生了函式環境空間的記憶體地址，包括0x000000000e0db220，0x000000000e0e8cf0, 0x000000000e0db178。
上圖中結構，用R程式碼描述。
# 在當前環境定義變數x
> x<-5
# 在當前環境定義fun1
> fun1<-function(){
+ # 列印fun1環境空間
+ print("fun1")
+ print(environment())
+
+ # 在fun1函式環境中，定義變數x
+ x<-1
+ function() {
+ # 列印匿名環境空間
+ print("funX")
+ print(environment())
+ # 從一級父環境空間中，找到變數x
+ x+15
+ }
+ }
# 在當前環境定義fun2
> fun2<-function(){
+ # 列印fun2環境空間
+ print("fun2")
+ print(environment())
+
+ # 在fun2函式環境中，定義變數x
+ x<-2
+ fun1() #呼叫函式fun1
+ }
# 在當前環境空間中，呼叫函式fun2，繫結到f2
> f2<-fun2()
[1] "fun2"
<environment: 0x000000000e0db220>
[1] "fun1"
<environment: 0x000000000e0e8cf0>
# 在當前環境空間中，呼叫匿名函式，並繫結到fx
> fx<-f2()
[1] "funX"
<environment: 0x000000000e0db178>
# 輸出fx的結果
> fx
[1] 16
最後，通過完整的例子，我們清楚了R語言環境空間的基本結構和呼叫關係。接下來，我們就可以利用環境空間的特性來做一些實際的開發任務了。