聊聊 Python 中的閉包

閉包（Closure）

在電腦科學中，閉包（英語：Closure），又稱詞法閉包（Lexical Closure）或函式閉包（function closures），是引用了自由變數的函式。這個被引用的自由變數將和這個函式一同存在，即使已經離開了創造它的環境也不例外。
[維基百科::閉包（電腦科學）]

0x02 Python 中的函數語言程式設計本來也應該包括閉包的概念，但是我覺得閉包更重要的是對作用域（Scope）的理解，因此把它單獨列出來，同時可以理順一下 Python 的作用域規則。

閉包的概念最早出現在函數語言程式設計語言中，後來被一些指令式程式設計語言所借鑑。尤其是在一些函式作為一等公民的語言中，例如JavaScript就經常用到（在JavaScript中函式幾乎可以當做“特等公民”看待），我之前也寫過一篇關於JavaScript閉包的文章（圖解Javascript上下文與作用域），實際上閉包並不是太複雜的概念，但是可以藉助閉包更好地理解不同語言的作用域規則。

名稱空間與作用域

0x00 The Zen of Python的最後一句重點強調名稱空間的概念，我們可以把名稱空間看做一個大型的字典型別（Dict），裡面包含了所有變數的名字和值的對映關係。在 Python 中，作用域實際上可以看做是“在當前上下文的位置，獲取名稱空間變數的規則”。在 Python 程式碼執行的任意位置，都至少存在三層巢狀的作用域：

最內層作用域，最早搜尋，包含所有區域性變數（Python 預設所有變數宣告均為區域性變數）
所有包含當前上下文的外層函式的作用域，由內而外依次搜尋，這裡包含的是非區域性也非全域性的變數
一直向上搜尋，直到當前模組的全域性變數
最外層，最後搜尋的，內建（built-in）變數

在任意執行位置，可以將作用域看成是對下面這樣一個名稱空間的搜尋：

scopes = {
    "local": {"locals": None,
             "non-local": {"locals": None,
                          "global": {"locals": None,
                                    "built-in": ["built-ins"]}}},
}

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scopes = {

"local": {"locals": None,

"non-local": {"locals": None,

"global": {"locals": None,

"built-in": ["built-ins"]}}},

}

除了預設的區域性變數宣告方式，Python 還有global和nonlocal兩種型別的宣告（nonlocal是Python 3.x之後才有，2.7沒有），其中 global 指定的變數直接指向(3)當前模組的全域性變數，而nonlocal則指向(2)最內層之外，global以內的變數。這裡需要強調指向（references and assignments）的原因是，普通的區域性變數對最內層區域性作用域之外只有只讀(read-only)的訪問許可權，比如下面的例子：

x = 100
def main():
    x += 1
    print(x)
main()

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x = 100

def main():

x += 1

print(x)

main()

---------------------------------------------------------------------------

UnboundLocalError                         Traceback (most recent call last)

 in ()
      3     x += 1
      4     print(x)
----> 5 main()

 in main()
      1 x = 100
      2 def main():
----> 3     x += 1
      4     print(x)
      5 main()

UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

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---------------------------------------------------------------------------

UnboundLocalError Traceback (most recent call last)

in ()

3 x += 1

4 print(x)

----> 5 main()

in main()

1 x = 100

2 def main():

----> 3 x += 1

4 print(x)

5 main()

UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

這裡丟擲UnboundLocalError，是因為main()函式內部的作用域對於全域性變數x僅有隻讀許可權，想要在main()中對x進行改變，不會影響全域性變數，而是會建立一個新的區域性變數，顯然無法對還未建立的區域性變數直接使用x += 1。如果想要獲得全域性變數的完全引用，則需要global宣告：

x = 100
def main():
    global x
    x += 1
    print(x)

main()
print(x) # 全域性變數已被改變

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x = 100

def main():

global x

x += 1

print(x)

main()

print(x) # 全域性變數已被改變

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Python 閉包

到這裡基本上已經瞭解了 Python 作用域的規則，那麼我們來仿照 JavaScript 寫一個計數器的閉包：

"""
/* JavaScript Closure example */
var inc = function(){  
  var x = 0;
  return function(){
    console.log(x++);
  };
};
var inc1 = inc()
var inc2 = inc()
"""

# Python 3.5
def inc():
    x = 0
    def inner():
        nonlocal x
        x += 1
        print(x)
    return inner
inc1 = inc()
inc2 = inc()

inc1()
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"""

/* JavaScript Closure example */

var inc = function(){

var x = 0;

return function(){

console.log(x++);

};

var inc1 = inc()

var inc2 = inc()

"""

# Python 3.5

def inc():

x = 0

def inner():

nonlocal x

x += 1

print(x)

return inner

inc1 = inc()

inc2 = inc()

inc1()

inc2()

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對於還沒有nonlocal關鍵字的 Python 2.7，可以通過一點小技巧來規避區域性作用域只讀的限制：

# Python 2.7
def inc():
    x = [0]
    def inner():
        x[0] += 1
        print(x[0])
    return inner
inc1 = inc()
inc2 = inc()

inc1()
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inc1()
inc2()

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# Python 2.7

def inc():

x = [0]

def inner():

x[0] += 1

print(x[0])

return inner

inc1 = inc()

inc2 = inc()

inc1()

inc2()

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上面的例子中，inc1()是在全域性環境下執行的，雖然全域性環境是不能向下獲取到inc()中的區域性變數x的，但是我們返回了一個inc()內部的函式inner()，而inner()對inc()中的區域性變數是有訪問許可權的。也就是說inner()將inc()內的區域性作用域打包送給了inc1和inc2，從而使它們各自獨立擁有了一塊封閉起來的作用域，不受全域性變數或者任何其它執行環境的影響，因此稱為閉包。

閉包函式都有一個__closure__屬性，其中包含了它所引用的上層作用域中的變數：

print(inc1.__closure__[0].cell_contents)
print(inc2.__closure__[0].cell_contents)

1 2	print(inc1.__closure__[0].cell_contents) print(inc2.__closure__[0].cell_contents)

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名稱空間與作用域

Python 閉包

參考

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