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范式 (而面向過程編程和面向對象編程也都是編程范式)。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，並提高代碼的可重復使用性(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復使用性。 
　　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里，對在外部作用域（但不是在全局作用域）的變量進行引用，那么內部函數就被認為是閉包(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里面，但不在全局作用域里，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函數作為返回值返回給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，代碼的執行結果為：

　　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，因為return回來的是inner函數。

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

輸出結果為：

　　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的值前后會發生變化，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，因為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聲明為非局部變量
        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么太大的關系，但是它倒是的確是在python函數式編程是容易犯的一個錯誤，我在這里也不妨介紹一下。先看下面這段代碼

for i in range(3):  
print i 

　　在程序里面經常會出現這類的循環語句，Python的問題就在於，當循環結束以后，循環體中的臨時變量i不會銷毀，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，才會去找函數體里的變量的值。

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

　　可能有些人認為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)的時候才去取，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) 

 

另外一個例子：

需要注意的問題是，返回的函數並沒有立刻執行，而是直到調用了f()才執行。我們來看一個例子：

function count() {
    var arr = [];
    for (var i=1; i<=3; i++) {
        arr.push(function () {
            return i * i;
        });
    }
    return arr;
}

var results = count();
var f1 = results[0];
var f2 = results[1];
var f3 = results[2];

 

在上面的例子中，每次循環，都創建了一個新的函數，然后，把創建的3個函數都添加到一個Array中返回了。

你可能認為調用f1()，f2()和f3()結果應該是1，4，9，但實際結果是：

f1(); // 16
f2(); // 16
f3(); // 16

全部都是16！原因就在於返回的函數引用了變量i，但它並非立刻執行。等到3個函數都返回時，它們所引用的變量i已經變成了4，因此最終結果為16。

返回閉包時牢記的一點就是：返回函數不要引用任何循環變量，或者后續會發生變化的變量。

如果一定要引用循環變量怎么辦？方法是再創建一個函數，用該函數的參數綁定循環變量當前的值，無論該循環變量后續如何更改，已綁定到函數參數的值不變：

function count() {
    var arr = [];
    for (var i=1; i<=3; i++) {
        arr.push((function (n) {
            return function () {
                return n * n;
            }
        })(i));
    }
    return arr;
}

var results = count();
var f1 = results[0];
var f2 = results[1];
var f3 = results[2];

f1(); // 1
f2(); // 4
f3(); // 9

注意這里用了一個“創建一個匿名函數並立刻執行”的語法：

(function (x) {
    return x * x;
})(3); // 9

理論上講，創建一個匿名函數並立刻執行可以這么寫：

function (x) { return x * x } (3);

但是由於JavaScript語法解析的問題，會報SyntaxError錯誤，因此需要用括號把整個函數定義括起來：

(function (x) { return x * x }) (3);

通常，一個立即執行的匿名函數可以把函數體拆開，一般這么寫：

(function (x) {
    return x * x;
})(3);

3.閉包的作用

　　說了這么多，不免有人要問，那這個閉包在實際的開發中有什么用呢？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：當閉包執行完后，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。我以一個類似棋盤游戲的例子來說明。假設棋盤大小為50*50，左上角為坐標系原點(0,0)，我需要一個函數，接收2個參數，分別為方向(direction)，步長(step)，該函數控制棋子的運動。棋子運動的新的坐標除了依賴於方向和步長以外，當然還要根據原來所處的坐標點，用閉包就可以保持住這個棋子原來所處的坐標。

origin = [0, 0] 
legal_x = [0, 50]  
legal_y = [0, 50] 
def create(pos=origin):   
    def player(direction,step):    
        # 這里應該首先判斷參數direction,step的合法性，比如direction不能斜着走，step不能為負等    
        # 然后還要對新生成的x，y坐標的合法性進行判斷處理，這里主要是想介紹閉包，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]，因為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，起點為原點  
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 

 

輸出為：

[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。