Python 閉包

Python v3.7.0

在函數嵌套的程序結構中，如果內層函數包含對外層函數局部變量的引用，同時外層函數的返回結果又是對內層函數的引用，這就構成了一個閉包。當外層函數在調用結束時，發現自己的局部變量在內層函數中有引用，就會把這個局部變量綁定到內部函數，然後自己再結束。

以一個實現可變參數求和的函數爲例，函數體定義如下：

def calc_sum(*args):
    ax = 0
    for n in args:
        ax += n
    return ax

但是，如果不需要立刻返回求和結構，而是在後面的代碼中，根據需要再計算怎麼辦？此時可以不返回求和的結果，而是返回求和的函數，修改後的代碼如下：

def lazy_sum(*args):
    def sum():
        ax = 0
        for n in args:
            ax += n
        return ax

    return sum

s = lazy_sum(1, 2, 3, 4, 5)
print(s, type(s),s(),sep='\n')
  
 
# Output>>>
<function lazy_sum.<locals>.sum at 0x10768ed90>
<class 'function'>
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在上面的代碼中，我們在外層函數lazy_sum中又嵌套了的內層函數sum，sum引用了lazy_sum的參數，並且lazy_sum 將sum 作爲返回結果。如果是按照命令式語言的規則（如C++，C#），在執行sum函數時，會由於在其作用域內找不到args變量而出錯，但是在函數式語言中，當內嵌的函數體內有引用外部作用域的變量時，將會把定義時涉及到的引用環境和函數體打包成一個整體返回，這中程序結構就是上面說的"閉包(Closure)"。所以說，閉包就是由函數及其相關的引用環境組合而成的實體，即：閉包=函數+引用環境。

從運行結果中可以看到，當調用lazy_sum(*args)時，返回的是內部求和函數的引用地址，當調用函數sum() 時，才真正計算求和的結果。

進一步理解Python中的閉包概念，還有兩點需要特別注意，首先看下面的例子：

s1 = lazy_sum(1, 2, 3, 4, 5)
s2 = lazy_sum(1, 2, 3, 4, 5)
print(s1==s2)

# Output>>>
False

也就是說當我們調用lazy_sum()時，即使傳入參數相同，每次調用也都會返回一個新的函數，彼此不會互相影響。

第二點，在閉包中修改外部作用域的局部變量時，需要使用關鍵字nonlocal，否則會報錯。稍微修改一下上面求和的代碼，如下：

# ax = 0  # UnboundLocalError
def lazy_sum(*args):
    ax = 0	# UnboundLocalError
    def sum():
        # ax = 0  # 正常
        for n in args:
            ax += n
        return ax

    return sum
  
s = lazy_sum(1, 2, 3, 4, 5)
print(s, type(s),s(),sep='\n')

# Output>>>
UnboundLocalError: local variable 'ax' referenced before assignment

我們嘗試將原本定義在內層函數中的變量 ax 放到了外層函數或函數體外部中進行定義，此時運行代碼都會拋出UnboundLocalError 的異常，這再看下面的代碼：

def decorator():
    name = "Rethink"
    def wrapper():
        print(name)
    return wrapper

deco()()

# Output>>>
Rethink

這裏看到，代碼可以正常運行，這是因爲在閉包中只是引用了外部作用域的局部變量，而沒有修改它的值。

在閉包結構中，內層函數改變外層函數的局部變量需要用nonlocal 關鍵字， nonlocal不能定義新的外層函數變量，只能改變已有的外層函數變量，同時也不能改變全局變量，在看下面的例子：

# ax = 0  # no binding for nonlocal 'ax' found
def lazy_sum(*args):
    ax = 0
    def sum():
        nonlocal ax
        for n in args:
            ax += n
        return ax
    return sum

s = lazy_sum(1, 2, 3, 4, 5)
print(s, type(s), s(), sep='\n')

# Output>>>
<function lazy_sum.<locals>.sum at 0x000001B0D80612F0>
<class 'function'>
15

從運行結果中可以看到，在閉包函數中使用 nonlocal 聲明外層函數中定義的ax變量後，程序可以正常運行，但是如果ax是定義在函數體外部的全局變量，則運行函數時，會報錯：no binding for nonlocal 'ax' found .

[To be continued…]

參考文檔

1. Python基礎|深入閉包與變量作用域，公衆號：編程時光

2. 深入理解Python變量作用域與函數閉包 ，石曉文

3. Python與算法社區，Emily