聊聊 Python 中的闭包
闭包（Closure）
在计算机科学中，闭包（英语：Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是引用了自由变量的函数。这个被引用的自由变量将和这个函数一同存在，即使已经离开了创造它的环境也不例外。
[维基百科::闭包（计算机科学）]
0x02 Python 中的函数式编程 本来也应该包括闭包的概念，但是我觉得闭包更重要的是对作用域（Scope）的理解，因此把它单独列出来，同时可以理顺一下 Python 的作用域规则。
闭包的概念最早出现在函数式编程语言中，后来被一些命令式编程语言所借鉴。尤其是在一些函数作为一等公民的语言中，例如JavaScript就经常用到（在JavaScript中函数几乎可以当做“特等公民”看待），我之前也写过一篇关于JavaScript闭包的文章（图解Javascript上下文与作用域），实际上闭包并不是太复杂的概念，但是可以借助闭包更好地理解不同语言的作用域规则。
命名空间与作用域
0x00 The Zen of Python的最后一句重点强调命名空间的概念，我们可以把命名空间看做一个大型的字典类型（Dict），里面包含了所有变量的名字和值的映射关系。在 Python 中，作用域实际上可以看做是“在当前上下文的位置，获取命名空间变量的规则”。在 Python 代码执行的任意位置，都至少存在三层嵌套的作用域：
- 最内层作用域，最早搜索，包含所有局部变量（Python 默认所有变量声明均为局部变量）
- 所有包含当前上下文的外层函数的作用域，由内而外依次搜索，这里包含的是非局部也非全局的变量
- 一直向上搜索，直到当前模块的全局变量
- 最外层，最后搜索的，内置（built-in）变量
在任意执行位置，可以将作用域看成是对下面这样一个命名空间的搜索：
| 123456 | scopes = { \”local\”: {\”locals\”: None, \”non-local\”: {\”locals\”: None, \”global\”: {\”locals\”: None, \”built-in\”: [\”built-ins\”]}}},} |
除了默认的局部变量声明方式，Python 还有global和nonlocal两种类型的声明（nonlocal是Python 3.x之后才有，2.7没有），其中 global 指定的变量直接指向(3)当前模块的全局变量，而nonlocal则指向(2)最内层之外，global以内的变量。这里需要强调指向（references and assignments）的原因是，普通的局部变量对最内层局部作用域之外只有只读(read-only)的访问权限，比如下面的例子：
| 12345 | x = 100def main(): x += 1 print(x)main() |
| 1234567891011121314151617 | —————————————————————————————————————– 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 |
这里抛出UnboundLocalError，是因为main()函数内部的作用域对于全局变量x仅有只读权限，想要在main()中对x进行改变，不会影响全局变量，而是会创建一个新的局部变量，显然无法对还未创建的局部变量直接使用x += 1。如果想要获得全局变量的完全引用，则需要global声明：
| 12345678 | x = 100def main(): global x x += 1 print(x) main()print(x) # 全局变量已被改变 |
| 12 | 101101 |
Python 闭包
到这里基本上已经了解了 Python 作用域的规则，那么我们来仿照 JavaScript 写一个计数器的闭包：
| 123456789101112131415161718192021222324252627 | \”\”\”/* JavaScript Closure example */var inc = function(){ var x = 0; return function(){ console.log(x++); };};var inc1 = inc()var inc2 = inc()\”\”\” # Python 3.5def inc(): x = 0 def inner(): nonlocal x x += 1 print(x) return innerinc1 = inc()inc2 = inc() inc1()inc1()inc1()inc2() |
| 1234 | 1231 |
对于还没有nonlocal关键字的 Python 2.7，可以通过一点小技巧来规避局部作用域只读的限制：
| 1234567891011121314 | # Python 2.7def inc(): x = [0] def inner(): x[0] += 1 print(x[0]) return innerinc1 = inc()inc2 = inc() inc1()inc1()inc1()inc2() |
| 1234 | 1231 |
上面的例子中，inc1()是在全局环境下执行的，虽然全局环境是不能向下获取到inc()中的局部变量x的，但是我们返回了一个inc()内部的函数inner()，而inner()对inc()中的局部变量是有访问权限的。也就是说inner()将inc()内的局部作用域打包送给了inc1和inc2，从而使它们各自独立拥有了一块封闭起来的作用域，不受全局变量或者任何其它运行环境的影响，因此称为闭包。
闭包函数都有一个__closure__属性，其中包含了它所引用的上层作用域中的变量：
| 12 | print(inc1.__closure__[0].cell_contents)print(inc2.__closure__[0].cell_contents) |
| 12 | [3][1] |
参考
- 9.2. Python Scopes and Namespaces
- Visualize Python Execution
- Wikipedia::Closure