理解Python中的閉包

1.定義

　　閉包是函數式編程的一個重要的語法結構，函數式編程是一種編程範式 (而面向過程編程和麪向對象編程也都是編程範式)。在面向過程編程中，我們見到過函數(function)；在面向對象編程中，我們見過對象(object)。函數和對象的根本目的是以某種邏輯方式組織代碼，並提高代碼的可重複使用性(reusability)。閉包也是一種組織代碼的結構，它同樣提高了代碼的可重複使用性。
　　不同編程語言實現閉包的方式是不同的，python中閉包從表現形式上看，如果在一個內部函數裏，對在外部作用域（但不是在全局作用域）的變量進行引用，那麼內部函數就被認爲是閉包(closure)。
舉個例子：

def outer(x):
    def inner(y):
        return x + y
    return inner 

　　結合這段簡單的代碼和定義來說明閉包：
　　inner(y)就是這個內部函數，對在外部作用域（但不是在全局作用域）的變量進行引用：x就是被引用的變量，x在外部作用域outer裏面，但不在全局作用域裏，則這個內部函數inner就是一個閉包。

　　再稍微講究一點的解釋是，閉包=函數塊+定義函數時的環境，inner就是函數塊，x就是環境，當然這個環境可以有很多，不止一個簡單的x。

　　在函數outer中定義了一個inner函數，inner函數訪問外部函數outer的（參數）變量，並且把inner函數作爲返回值返回給outer函數。

a = outer(2)
print('function:',a) 
print('result:',a(3))

　　上面的代碼中a就是一個函數，代碼的執行結果爲：

　　從結果我們不難看出，a是函數inner而不是outer，這個有點繞，但是並不難理解，因爲return回來的是inner函數。

print('a.func_name',a.func_name)

輸出結果爲：

　　調用函數a，得到的結果是傳入參數的值相加。

　　上面的和這句是一樣的：print('result:',outer(2)(3))

2.使用閉包注意的地方

2.1閉包無法修改外部函數的局部變量

如果innerFunc可以修改x的值的話，x的值前後會發生變化，但結果是：

在innerFunc中x的值發生了改變，但是在outerFunc中x的值並未發生變化。

再來看一個例子

2.2閉包無法直接訪問外部函數的局部變量

def outer():
    x = 5 
    def inner(): #上面一行的x相對inner函數來說是函數外的局部變量（非全局變量）
        x *= x
        return x
    return inner

outer()()

運行會報錯：

解決的方法：
　　1.在python3之前沒有直接的解決方法，只能間接地通過容器類型來解決，因爲容器類型不是存放在棧空間的，inner函數可以訪問到。

def outer():
    x = [5] 
    def inner(): 
        x[0] *= x[0]
        return x[0]
    return inner 

print(outer()())  #25

　　2.python3通過nonlocal關鍵字來解決，該語句顯式的指定a不是閉包的局部變量。

def outer():
    x = 5 
    def inner(): 
        nonlocal x #把x聲明爲非局部變量
        x *= x
        return x
    return inner 

print(outer()())

2.3python循環中不包含域的概念

　　還有一個容易產生錯誤的事例也經常被人在介紹python閉包時提起，我一直都沒覺得這個錯誤和閉包有什麼太大的關係，但是它倒是的確是在python函數式編程是容易犯的一個錯誤，我在這裏也不妨介紹一下。先看下面這段代碼

for i in range(3):  
print i 

　　在程序裏面經常會出現這類的循環語句，Python的問題就在於，當循環結束以後，循環體中的臨時變量i不會銷燬，而是繼續存在於執行環境中。還有一個python的現象是，python的函數只有在執行時，纔會去找函數體裏的變量的值。

flist = []  
for i in range(3):   
    def foo(x): print x + i   
for f in flist:   
    f(2) 

　　可能有些人認爲這段代碼的執行結果應該是2,3,4.但是實際的結果是4,4,4。loop在python中是沒有域的概念的，flist在像列表中添加func的時候，並沒有保存i的值，而是當執行f(2)的時候纔去取，這時候循環已經結束，i的值是2，所以結果都是4。
　　解決方法也很簡單，改寫一下函數的定義就可以了。

for i in range(3):   
    def foo(x,y=i): print x + y   
    flist.append(foo) 

3.閉包的作用

　　說了這麼多，不免有人要問，那這個閉包在實際的開發中有什麼用呢？閉包主要是在函數式開發過程中使用。以下介紹兩種閉包主要的用途。

用途1：當閉包執行完後，仍然能夠保持住當前的運行環境。

　　比如說，如果你希望函數的每次執行結果，都是基於這個函數上次的運行結果。我以一個類似棋盤遊戲的例子來說明。假設棋盤大小爲50*50，左上角爲座標系原點(0,0)，我需要一個函數，接收2個參數，分別爲方向(direction)，步長(step)，該函數控制棋子的運動。棋子運動的新的座標除了依賴於方向和步長以外，當然還要根據原來所處的座標點，用閉包就可以保持住這個棋子原來所處的座標。

origin = [0, 0] 
legal_x = [0, 50]  
legal_y = [0, 50] 
def create(pos=origin):   
    def player(direction,step):    
        # 這裏應該首先判斷參數direction,step的合法性，比如direction不能斜着走，step不能爲負等    
        # 然後還要對新生成的x，y座標的合法性進行判斷處理，這裏主要是想介紹閉包，就不詳細寫了。    
        new_x = pos[0] + direction[0]*step    
        new_y = pos[1] + direction[1]*step    
        pos[0] = new_x    
        pos[1] = new_y    
        #注意！此處不能寫成 pos = [new_x, new_y]，因爲參數變量不能被修改，而pos[]是容器類的解決方法 
        return pos   
    return player    

player = create() # 創建棋子player，起點爲原點  
print player([1,0],10) # 向x軸正方向移動10步  
print player([0,1],20) # 向y軸正方向移動20步  
print player([-1,0],10) # 向x軸負方向移動10步 

輸出爲：

 [10, 0] 
 [10, 20]  
 [0, 20] 

用途2：閉包可以根據外部作用域的局部變量來得到不同的結果

　　這有點像一種類似配置功能的作用，我們可以修改外部的變量，閉包根據這個變量展現出不同的功能。比如有時我們需要對某些文件的特殊行進行分析，先要提取出這些特殊行。

def make_filter(keep):   
    def the_filter(file_name):    
        file = open(file_name)    
        lines = file.readlines()    
        file.close()    
        filter_doc = [i for i in lines if keep in i]    
        return filter_doc   
    return the_filter 

　　如果我們需要取得文件”result.txt”中含有”pass”關鍵字的行，則可以這樣使用例子程序

filter = make_filter("pass") filter_result = filter("result.txt") 

　　以上兩種使用場景，用面向對象也是可以很簡單的實現的，但是在用Python進行函數式編程時，閉包對數據的持久化以及按配置產生不同的功能，是很有幫助的。