Python 闭包

Python v3.7.0

在函数嵌套的程序结构中，如果内层函数包含对外层函数局部变量的引用，同时外层函数的返回结果又是对内层函数的引用，这就构成了一个闭包。当外层函数在调用结束时，发现自己的局部变量在内层函数中有引用，就会把这个局部变量绑定到内部函数，然后自己再结束。

以一个实现可变参数求和的函数为例，函数体定义如下：

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结构，而是在后面的代码中，根据需要再计算怎么办？此时可以不返回求和的结果，而是返回求和的函数，修改后的代码如下：

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'>
15

在上面的代码中，我们在外层函数lazy_sum中又嵌套了的内层函数sum，sum引用了lazy_sum的参数，并且lazy_sum 将sum 作为返回结果。如果是按照命令式语言的规则（如C++，C#），在执行sum函数时，会由于在其作用域内找不到args变量而出错，但是在函数式语言中，当内嵌的函数体内有引用外部作用域的变量时，将会把定义时涉及到的引用环境和函数体打包成一个整体返回，这中程序结构就是上面说的"闭包(Closure)"。所以说，闭包就是由函数及其相关的引用环境组合而成的实体，即：闭包=函数+引用环境。

从运行结果中可以看到，当调用lazy_sum(*args)时，返回的是内部求和函数的引用地址，当调用函数sum() 时，才真正计算求和的结果。

进一步理解Python中的闭包概念，还有两点需要特别注意，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

也就是说当我们调用lazy_sum()时，即使传入参数相同，每次调用也都会返回一个新的函数，彼此不会互相影响。

第二点，在闭包中修改外部作用域的局部变量时，需要使用关键字nonlocal，否则会报错。稍微修改一下上面求和的代码，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

我们尝试将原本定义在内层函数中的变量 ax 放到了外层函数或函数体外部中进行定义，此时运行代码都会抛出UnboundLocalError 的异常，这再看下面的代码：

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

deco()()

# Output>>>
Rethink

这里看到，代码可以正常运行，这是因为在闭包中只是引用了外部作用域的局部变量，而没有修改它的值。

在闭包结构中，内层函数改变外层函数的局部变量需要用nonlocal 关键字， nonlocal不能定义新的外层函数变量，只能改变已有的外层函数变量，同时也不能改变全局变量，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

从运行结果中可以看到，在闭包函数中使用 nonlocal 声明外层函数中定义的ax变量后，程序可以正常运行，但是如果ax是定义在函数体外部的全局变量，则运行函数时，会报错：no binding for nonlocal 'ax' found .

[To be continued...]

参考文档

1. Python基础|深入闭包与变量作用域，公众号：编程时光

2. 深入理解Python变量作用域与函数闭包 ，石晓文

3. Python与算法社区，Emily