Julia 函数

本文档将解释函数、方法定义以及方法表是如何工作的。

方法表

Julia 中的每个函数都是泛型函数。泛型函数在概念上是单个函数，但由许多定义或方法组成。泛型函数的方法储存在方法表中。方法表（类型 MethodTable）与 TypeName 相关。TypeName 描述了一系列参数化类型。例如，Complex{Float32} 和 Complex{Float64} 共享相同的 type name 对象 Complex。

Julia 中的所有对象都可能是可调用的，因为每个对象都有类型，而类型又有 TypeName。

函数调用

给定调用 f(x,y)，会执行以下步骤：首先，用 typeof(f).name.mt 访问要使用的方法表。其次，生成一个参数元组类型 Tuple{typeof(f), typeof(x), typeof(y)}。请注意，函数本身的类型是第一个元素。这因为该类型可能有参数，所以需要参与派发。这个元组类型会在方法表中查找。

这个派发过程由 jl_apply_generic 执行，它有两个参数：一个指向由值 f、x 和 y 组成的数组的指针，以及值的数量（此例中是 3）。

在整个系统中，处理函数和参数列表的 API 有两种：一种单独接收函数和参数，一种接收一个单独的参数结构。在第一种 API 中，「参数」部分不包含函数的相关信息，因为它是单独传递的。在第二种 API 中，函数是参数结构的第一个元素。

例如，以下用于执行调用的函数只接收 args 指针，因此 args 数组的第一个元素将会是要调用的函数：

  1. jl_value_t *jl_apply(jl_value_t **args, uint32_t nargs)

这个用于相同功能的入口点单独接收该函数，因此 args 数组中不包含该函数：

  1. jl_value_t *jl_call(jl_function_t *f, jl_value_t **args, int32_t nargs);

添加方法

在上述派发过程中，添加一个新方法在概念上所需的只是（1）一个元组类型，以及（2）方法体的代码。jl_method_def 实现了此操作。jl_first_argument_datatype 会被调用，用来从第一个参数的类型中提取相关的方法表。这比派发期间的相应过程复杂得多，因为参数元组类型可能是抽象类型。例如，我们可以定义：

  1. (::Union{Foo{Int},Foo{Int8}})(x) = 0

这是可行的，因为所有可能的匹配方法都属于同一方法表。

创建泛型函数

因为每个对象都是可调用的，所以创建泛型函数不需要特殊的东西。因此，jl_new_generic_function 只是创建一个新的 Function 的单态类型（大小为 0）并返回它的实例。函数可有一个帮助记忆的「显示名称」，用于调试信息和打印对象。例如，Base.sin 的名称为 sin。按照约定，所创建类型的名称与函数名称相同，带前缀 #。所以 typeof(sin) 即 Base.#sin。

闭包

闭包只是一个可调用对象，其字段名称对应于被捕获的变量。例如，以下代码：

  1. function adder(x)
  2.     return y->x+y
  3. end

（大致）降低为：

  1. struct ##1{T}
  2.     x::T
  3. end
  5. (_::##1)(y) = _.x + y
  7. function adder(x)
  8.     return ##1(x)
  9. end

构造函数

构造函数调用只是对类型的调用。Type 的方法表包含所有的构造函数定义。Type 的所有子类型（Type、UnionAll、Union 和 DataType）目前通过特殊的安排方式共享一个方法表。

内置函数

「内置」函数定义在 Core 模块中，有：

  1. === typeof sizeof <: isa typeassert throw tuple getfield setfield! fieldtype
  2. nfields isdefined arrayref arrayset arraysize applicable invoke apply_type _apply
  3. _expr svec

这些都是单态对象，其类型为 Builtin 的子类型，而或后者为 Function 的子类型。它们的用处是在运行时暴露遵循「jlcall」调用约定的入口点。

  1. jl_value_t *(jl_value_t*, jl_value_t**, uint32_t)

内建函数的方法表是空的。相反地，它们具有单独的 catch-all 方法缓存条目（Tuple{Vararg{Any}}），其 jlcall fptr 指向正确的函数。这是一种 hack，但效果相当不错。

关键字参数

关键字参数的工作方式是将每个具有关键字参数的方法表与一个特殊的隐藏函数对象相关联。该函数称为「keyword argument sorter」、「keyword sorter」或「kwsorter」，存储在 MethodTable 对象的 kwsorter 字段中。在 kwsorter 函数的每个定义与通常的方法表中的某个函数具有相同的参数，除了前面还有一个 NamedTuple 参数，该参数给出所传递关键字参数的名称和值。kwsorter 的作用是根据名称将关键字参数移到预先要求的位置，并对任何所需的默认值表达式进行求值和替换。其返回结果是一个通常的位置参数列表，接着会被传递给另一个由编译器生成的函数。

理解该过程的最简单方法是查看关键字参数方法的定义的降低方式。代码：

  1. function circle(center, radius; color = black, fill::Bool = true, options...)
  2.     # draw
  3. end

实际上生成三个方法定义。第一个方法是一个接收所有参数（包括关键字参数）作为其位置参数的函数，其代码包含该方法体。它有一个自动生成的名称：

  1. function #circle#1(color, fill::Bool, options, circle, center, radius)
  2.     # draw
  3. end

第二个方法是原始 circle 函数的普通定义，负责处理没有传递关键字参数的情况：

  1. function circle(center, radius)
  2.     #circle#1(black, true, pairs(NamedTuple()), circle, center, radius)
  3. end

这只是派发到第一个方法，传递默认值。pairs 应用于其余的参数组成的具名元组，以提供键值对迭代。请注意，如果方法不接受其余的关键字参数，那么此参数不存在。

最后，kwsorter 定义为：

  1. function (::Core.kwftype(typeof(circle)))(kws, circle, center, radius)
  2.     if haskey(kws, :color)
  3.         color = kws.color
  4.     else
  5.         color = black
  6.     end
  7.     # etc.
  9.     # put remaining kwargs in `options`
  10.     options = structdiff(kws, NamedTuple{(:color, :fill)})
  12.     # if the method doesn't accept rest keywords, throw an error
  13.     # unless `options` is empty
  15.     #circle#1(color, fill, pairs(options), circle, center, radius)
  16. end

函数 Core.kwftype(t) 创建字段 t.name.mt.kwsorter（如果它未被创建），并返回该函数的类型。

此设计的特点是不使用关键字参数的调用点不需要特殊处理；这一切的工作方式好像它们根本不是语言的一部分。不使用关键字参数的调用点直接派发到被调用函数的 kwsorter。例如，调用：

  1. circle((0,0), 1.0, color = red; other...)

降低为：

  1. kwfunc(circle)(merge((color = red,), other), circle, (0,0), 1.0)

kwfunc（也在 Core 中）可获取被调用函数的 kwsorter。关键字 splatting 函数（编写为 other...）调用具名元组 merge 函数。此函数进一步解包了 other 的每个元素，预期中每个元素包含两个值（一个符号和一个值）。当然，如果所有 splatted 参数都是具名元组，则可使用更高效的实现。请注意，原来的 circle 被传递，以处理闭包。

Compiler efficiency issues

为每个函数生成新类型在与 Julia 的「默认专门化所有参数」这一设计理念结合使用时，可能对编译器资源的使用产生严重后果。实际上，此设计的初始实现经历了更长的测试和构造时间、高内存占用以及比基线大近乎 2 倍的系统镜像。在一个幼稚的实现中，该问题非常严重，以至于系统几乎无法使用。需要进行几项重要的优化才能使设计变得可行。

第一个问题是函数值参数的不同值导致函数的过度专门化。许多函数只是将参数「传递」到其它地方，例如，到另一个函数或存储位置。这种函数不需要为每个可能传入的闭包专门化。幸运的是，这种情况很容易区分，只需考虑函数是否调用它的某个参数（即，参数出现在某处的「头部位置」）。性能关键的高阶函数，如 map，肯定会直接调用它们的参数函数，因此仍然会按预期进行专门化。此优化通过在前端记录 analyze-variables 传递期间所调用的参数来实现。当 cache_method 看到某个在 Function 类型层次结构的参数传递到声明为 Any 或 Function 的槽时，它的行为就好像应用了 @nospecialize 注释一样。这种启发式方法在实践中似乎非常有效。

下一个问题涉及方法缓存哈希表的结构。经验研究表明，绝大多数动态分派调用只涉及一个或两个元素。反过来看，只考虑第一个元素便可解决许多这些情况。（旁白：单派发的支持者根本不会对此感到惊讶。但是，这个观点意味着「多重派发在实践中很容易优化」，因此我们应该使用它，而不是「我们应该使用单派发」！）因此，方法缓存使用第一个参数作为其主键。但请注意，这对应于函数调用的元组类型的第二个元素（第一个元素是函数本身的类型）。通常，头部位置的类型非常少变化——实际上，大多数函数属于没有参数的单态类型。但是，构造函数不是这种情况，一个方法表便保存了所有类型的构造函数。因此，Type 方法表是特殊的，使用元组类型的第一个元素而不是第二个。

前端为所有闭包生成类型声明。起初，这通过生成通常的类型声明来实现。但是，这产生了大量的构造函数，这些构造函数全都很简单（只是将所有参数传递给 new）。因为方法是部分排序的，所以插入所有这些方法是 O(n^2)，此外要保留的方法实在太多了。这可通过直接生成 struct_type 表达式（绕过默认的构造函数生成）并直接使用 new 来创建闭包的实例来优化。这事并不漂亮，但你需要做你该做的。

下个问题是 @test 宏，它为每个测试用例生成一个 0 参数闭包。这不是必需的，因为每个用例只需运行一次。因此，@test 被改写以展开到一个 try-catch 块中，该块记录测试结果（true、false 或所引发的异常）并对它调用测试套件处理程序。