问题

回调函数 callback 的实现原理是什么?

回答
回调函数,这个词在编程里听起来有点神秘,但其实它的核心思想一点也不复杂,就像我们生活中跟朋友约定一个事情,然后让他事成之后再告诉我们一样。今天咱们就来掰扯掰扯回调函数到底是怎么一回事,以及它背后的小秘密。

想象一下,你在做一件需要等待的事情,比如点一份外卖。外卖员给你送餐,肯定不能在你家门口一直等着你开门收餐吧?他得接着去送下一单。但是,他得告诉你外卖送到了。这时候,你就需要给外卖员一个“指示”,告诉他送到了之后该怎么做,比如“送到门口敲两下门”。这个“送到门口敲两下门”就是我们说的“回调”。

在编程里,回调函数的作用也差不多。它就像是你在调用一个函数(比如上面说的叫外卖的函数)的时候,同时告诉它:“嘿,等这件事情做完了,麻烦你再帮我做这件事(也就是执行这个回调函数)。”

核心的实现原理:传递函数本身作为参数

回调函数之所以能够被调用,最根本的原因在于,我们将一个函数,作为参数,传递给了另一个函数。

我们平时传给函数的都是一些数据,比如数字、字符串、列表等等。但是,在很多编程语言里,函数本身也是一种“值”,就像数字和字符串一样,是可以被赋值给变量,也可以被当作参数传递的。

举个例子,假设我们有一个函数叫做 `makeOrder(food, callback)`,它的意思是“制作美食,然后执行某个回调”。

```javascript
function deliverOrder(message) {
console.log("收到通知:" + message);
}

function makeOrder(food, callback) {
console.log("开始制作 " + food + "...");
// 模拟一个耗时操作,比如烹饪
setTimeout(function() {
console.log(food + " 制作完成!");
// 重点来了:当制作完成后,我们就调用之前传进来的那个 callback 函数
callback("您的 " + food + " 已经准备好!");
}, 2000); // 模拟2秒的制作时间
}

// 调用 makeOrder,并将 deliverOrder 作为回调函数传递进去
makeOrder("披萨", deliverOrder);
```

在这个例子里:

1. `makeOrder` 函数接收了两个参数:`food`(要制作的食物)和 `callback`(我们想要在制作完成后执行的那个函数)。
2. 在 `makeOrder` 函数的内部,当模拟的耗时操作(`setTimeout`)完成时,它并没有自己直接打印信息,而是调用了 `callback` 这个参数。
3. 我们调用 `makeOrder` 时,将 `deliverOrder` 函数本身(注意,不是 `deliverOrder()`,而是 `deliverOrder` 这个函数对象)作为第二个参数传递了过去。
4. 所以,当 `makeOrder` 函数内部执行到 `callback("您的 披萨 已经准备好!")` 时,实际上就是在调用我们之前传进去的 `deliverOrder` 函数,并把“您的 披萨 已经准备好!”这个字符串作为参数传给了它。

回调函数有哪些“戏份”?

回调函数在编程中扮演着很多重要的角色,让我们的代码更灵活、更强大:

1. 异步操作的处理 (The Most Common Use Case)
什么叫异步? 简单说就是,你发起了一个操作,这个操作需要一些时间才能完成,但你不想傻傻地在那里等着,而是可以先去做别的事情。等那个耗时的操作完成了,再来通知你。
为什么回调是异步的“好搭档”? 因为异步操作本身是“延迟”的。比如网络请求、文件读取、定时器(`setTimeout`, `setInterval`),这些操作都需要等待。当这些操作完成后,它们需要一种方式来“告诉”你,然后执行后续的处理。这个“告诉”的动作,就非常适合用回调函数来完成。
例子: 浏览器发起的网络请求(AJAX/Fetch)。你发送一个请求去获取数据,这个过程可能需要几秒钟。你可以给这个请求一个“回调函数”,告诉浏览器:“等数据回来了,就把数据传给这个函数进行处理。” 在数据回来之前,你的页面可以继续响应用户的其他操作,不会卡住。

2. 事件处理
什么是事件? 用户点击按钮、键盘敲击、鼠标移动,这些都是事件。
回调怎么来? 当我们注册一个事件监听器时(比如 `button.addEventListener('click', handleClick)`),`handleClick` 就是一个回调函数。当用户真的点击了那个按钮时,浏览器就会自动调用 `handleClick` 这个函数来响应。

3. 函数式编程与高阶函数
高阶函数 就是能够接受函数作为参数,或者返回一个函数的函数。回调函数是实现高阶函数最直接的“载体”。
为什么需要? 它可以让我们的代码写得更抽象、更通用。比如,一个排序函数 (`sort`),你可以传入一个自定义的“比较函数”作为回调,来决定元素的大小顺序。
例子: JavaScript 的 `Array.prototype.map`, `filter`, `reduce` 这些方法,它们都接收一个回调函数作为参数,对数组的每个元素进行操作。

```javascript
const numbers = [1, 2, 3, 4, 5];

// 使用 map 的回调函数,将每个数字翻倍
const doubledNumbers = numbers.map(function(num) {
return num 2;
});
// doubledNumbers 现在是 [2, 4, 6, 8, 10]

// 使用 filter 的回调函数,只保留偶数
const evenNumbers = numbers.filter(function(num) {
return num % 2 === 0;
});
// evenNumbers 现在是 [2, 4]
```
这里的 `function(num) { return num 2; }` 和 `function(num) { return num % 2 === 0; }` 都是回调函数。

4. 解耦 (Decoupling)
回调函数可以将“做什么”和“什么时候做”解耦开。调用方(比如 `makeOrder`)负责启动操作,而提供回调函数的一方则负责定义“做完之后要干什么”。
这使得 `makeOrder` 函数可以被复用,无论在制作完成后是需要发送邮件、更新数据库还是显示消息,只要提供不同的回调函数即可,`makeOrder` 本身无需修改。

回调的“幕后故事”:事件循环和调用栈

要更深入地理解回调,尤其是在 JavaScript 这样的单线程环境中,我们还需要了解一下“事件循环”(Event Loop)和“调用栈”(Call Stack)。

调用栈 (Call Stack): 当你调用一个函数时,这个函数会被放入调用栈。当函数执行完毕,它就会从栈中移除。
异步操作 & Web APIs/Node.js APIs: 像 `setTimeout`, `fetch`, 文件读写这些耗时的操作,它们并不是直接在主线程的调用栈里执行的。浏览器或者 Node.js 环境会提供这些“Web APIs”或“Node.js APIs”来处理这些操作。当你发起一个异步操作时,它会被交给这些 API 去处理,而你的主线程(以及调用栈)会继续执行后面的代码,不会被阻塞。
回调队列 (Callback Queue) / 微任务队列 (Microtask Queue): 当那个异步操作完成后,比如 `setTimeout` 的计时结束了,或者网络请求数据回来了,它会将对应的回调函数(我们之前传进去的那个函数)放入一个叫做“回调队列”的地方等待。
事件循环 (Event Loop): 事件循环是一个持续运行的进程,它不断地检查调用栈是否为空。如果调用栈为空,并且回调队列中有待执行的回调函数,事件循环就会将回调队列中的第一个函数取出,然后推入调用栈,等待执行。

流程示例:

1. 你调用 `makeOrder("披萨", deliverOrder);`
2. `makeOrder` 函数被推入调用栈。
3. `makeOrder` 内部打印“开始制作 披萨...”。
4. `setTimeout` 被调用,这是一个异步操作,它将计时器和 `function() { ... callback(...) }` 这个匿名函数(内部包含了对 `deliverOrder` 的调用)交给 Web API 去处理。`makeOrder` 函数执行完毕,从调用栈中弹出。
5. 主线程继续执行其他代码(如果有的话)。
6. 2秒后,Web API 的计时器到了。它发现计时结束了,于是将那个匿名回调函数(包含调用 `deliverOrder` 的部分)放入回调队列。
7. 事件循环在检查到调用栈为空时,发现回调队列里有一个函数。
8. 事件循环将这个匿名回调函数从回调队列移到调用栈。
9. 匿名回调函数开始执行,它打印“披萨 制作完成!”,然后执行 `callback("您的 披萨 已经准备好!")`。
10. `deliverOrder("您的 披萨 已经准备好!")` 被推入调用栈。
11. `deliverOrder` 函数打印“收到通知:您的 披萨 已经准备好!”。
12. `deliverOrder` 执行完毕,从调用栈弹出。
13. 匿名回调函数也执行完毕,从调用栈弹出。

总结一下:

回调函数最核心的实现原理就是函数作为一等公民的特性——它们可以被当作参数传递给其他函数。这种传递赋予了函数一种“被动执行”的能力:当被调用的那个函数认为时机合适(比如一个耗时操作完成、一个事件发生)时,它就会去执行你交给它的那个函数。

正是因为有了回调函数,我们的代码才能优雅地处理异步操作,响应用户事件,并且变得更加模块化和可复用。它就像是给函数插上了一双“翅膀”,让它们可以在合适的时候,完成你交给它们的任务。下次再听到“回调函数”,希望你脑海中浮现的不再是晦涩的概念,而是一个个生活中的例子,以及幕后默默工作的事件循环。

网友意见

user avatar

我觉得你的问题的本质在于你没搞清楚你说的系统是个什么东西……

你一直混淆了系统,操作系统,内核等等概念,所以完全就是一团浆糊。


你真想知道回调函数的调用堆栈,打个断点调试下不就知道了?

user avatar

我觉得回调函数的机制很简单,但是楼主的问题则把我给搅和糊涂了。这里谈谈自己的看法。

实现回调函数的时候,就是用一个函数指针保存你待回调的函数的地址。然后满足一定的条件的时候,使用这个函数指针来调用你预设定的函数。

自己写过定时器,里面就是这样实现回调函数的。

也阅读过linux内核源码,内核中也是这样实现回调函数的。

很简单的概念啊,楼主的问题在哪里呢?

user avatar

所以你说的是 GUI 中的 event-handler callback。

「回调函数是由系统调用的」—— callback 不是由系统调用的。正确的流程为:

  1. 用户的输入设备发送信息给 device driver。
  2. Device driver 将信息发给某些 manager 程序。比如说,大多数鼠标和键盘动作都会传给 window manager。
  3. Window manager 会把这些动作翻译成 event,通过 IPC 机制传给 app。
  4. App 的 UI framework 会把这些通过 IPC 接受到的 event 放到 event-queue 中。
  5. 你自己,或者 UI framework 会运行一个 loop。这个 loop 不停的去 event-queue 中取 event。
  6. 如果取到,event-loop 会调用相应的 callback。

在 callback 中加断点,用 debugger 调试,你会在 callstack 中看到从 event-loop 到你的 callback 的一系列调用。

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