PyTips 0x04 - Python 閉包與作用域

leejan97 發布于2019-07-24 18:30 / 2857人閱讀

摘要：項目地址閉包在計算機科學中，閉包英語，又稱詞法閉包或函數閉包，是引用了自由變量的函數。這個被引用的自由變量將和這個函數一同存在，即使已經離開了創造它的環境也不例外。

項目地址：https://git.io/pytips

閉包（Closure）

在計算機科學中，閉包（英語：Closure），又稱詞法閉包（Lexical Closure）或函數閉包（function closures），是引用了自由變量的函數。這個被引用的自由變量將和這個函數一同存在，即使已經離開了創造它的環境也不例外。
[維基百科::閉包（計算機科學）]

0x02 Python 中的函數式編程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，因此把它多帶帶列出來，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式編程語言中，后來被一些命令式編程語言所借鑒。尤其是在一些函數作為一等公民的語言中，例如JavaScript就經常用到（在JavaScript中函數幾乎可以當做“特等公民”看待），我之前也寫過一篇關于JavaScript閉包的文章（圖解Javascript上下文與作用域），實際上閉包并不是太復雜的概念，但是可以借助閉包更好地理解不同語言的作用域規則。

命名空間與作用域

0x00 The Zen of Python的最后一句重點強調命名空間的概念，我們可以把命名空間看做一個大型的字典類型（Dict），里面包含了所有變量的名字和值的映射關系。在 Python 中，作用域實際上可以看做是“在當前上下文的位置，獲取命名空間變量的規則”。在 Python 代碼執行的任意位置，都至少存在三層嵌套的作用域：

最內層作用域，最早搜索，包含所有局部變量（Python 默認所有變量聲明均為局部變量）

所有包含當前上下文的外層函數的作用域，由內而外依次搜索，這里包含的是非局部也非全局的變量

一直向上搜索，直到當前模塊的全局變量

最外層，最后搜索的，內置（built-in）變量

在任意執行位置，可以將作用域看成是對下面這樣一個命名空間的搜索：

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

除了默認的局部變量聲明方式，Python 還有global和nonlocal兩種類型的聲明（nonlocal是Python 3.x之后才有，2.7沒有），其中 global 指定的變量直接指向(3)當前模塊的全局變量，而nonlocal則指向(2)最內層之外，global以內的變量。這里需要強調指向（references and assignments）的原因是，普通的局部變量對最內層局部作用域之外只有只讀(read-only)的訪問權限，比如下面的例子：

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

這里拋出UnboundLocalError，是因為main()函數內部的作用域對于全局變量x僅有只讀權限，想要在main()中對x進行改變，不會影響全局變量，而是會創建一個新的局部變量，顯然無法對還未創建的局部變量直接使用x += 1。如果想要獲得全局變量的完全引用，則需要global聲明：

x = 100
def main():
    global x
    x += 1
    print(x)
    
main()
print(x) # 全局變量已被改變

101
101

Python 閉包

到這里基本上已經了解了 Python 作用域的規則，那么我們來仿照 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()
inc1()
inc1()
inc2()

對于還沒有nonlocal關鍵字的 Python 2.7，可以通過一點小技巧來規避局部作用域只讀的限制：

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

inc1()
inc1()
inc1()
inc2()

上面的例子中，inc1()是在全局環境下執行的，雖然全局環境是不能向下獲取到inc()中的局部變量x的，但是我們返回了一個inc()內部的函數inner()，而inner()對inc()中的局部變量是有訪問權限的。也就是說inner()將inc()內的局部作用域打包送給了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，不受全局變量或者任何其它運行環境的影響，因此稱為閉包。

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

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

[3]
[1]

參考

9.2. Python Scopes and Namespaces

Visualize Python Execution

Wikipedia::Closure

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