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零基础学习 Python 之闭包

写在之前

在正式讲「闭包」之前我们首先得先知道「嵌套函数」这么一个东西,我在之前的文章中(零基础学习 Python 之函数对象)说过,函数不单单可以作为对象来传递,还可以在一个函数里面嵌套一个函数,这个就是我们今天要讲的嵌套函数。

嵌套函数

首先我们来看一个例子:

>>> def my_name():
...    def your_name():
...            print('your_name() is two dog')
...    print('my_name() is rocky')
...
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上面就是一个简单的嵌套函数的例子,在上面的代码中,在函数 my_name() 中定义了函数 your_name(),而 your_name() 就称为 my_name() 的「内嵌函数」,因为它是在 my_name() 里面的定义。

然后我们来调用 my_name(),会得到下面的结果:

>>> my_name()
my_name() is rocky
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这个结果说明在上面的调用方式和内嵌函数的写法中,your_name() 这个函数根本没被调用,或者我们可以这么说,那就是 my_name() 没有按照从上到下的顺序依次执行其里面的代码。

那么我想要 your_name() 这个内嵌函数也执行,该怎么做呢?其实在 my_name() 里面显示的调用一下 your_name() 函数就好了,请看下面的代码:

>>> def my_name():
...    def your_name():
...            print('your_name() is two dog')
...    your_name() #显示的调用内嵌函数
...    print('my_name() is rocky')
...
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我们现在来调用 my_name(),运行结果如下:

>>> my_name()
your_name() is two dog
my_name() is rocky
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现在我们再来思考一个问题,我们能不能在 my_name() 外面单独的调用其内嵌函数 your_name() 呢?我们来试一下:

>> your_name()
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'your_name' is not defined
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结果会显示错误信息,这说明这样调用是不行的,原因就是 your_name() 是定义在 my_name() 里面的函数,它生效的范围仅限于 my_name() 函数体之内,也就是说它的作用域就是 my_name() 的范围而已,既然是这样,那么 your_name 在使用变量的时候也就会收到 my_name() 的约束。

我们再来看一个例子:

>>> def fun1():
...    a = 1
...    def fun2():
...            a += 1
...            print('fun2 -- a = ',a)
...    fun2()
...    print('fun1 -- a = ',a)
...
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在看下面的结果之前,请你想一想这个函数的结果会是什么?加入你思考完毕,请看下面的结果:

>>> fun1()
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
 File "<stdin>", line 6, in fun1
 File "<stdin>", line 4, in fun2
UnboundLocalError: local variable 'a' referenced before assignment
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你猜对了么?结果是运行错误!我们观察报错的信息,原因是 fun2() 里面使用了 fun1() 的变量 a,按照表达式, Python 解释器认为这个变量应该在 fun2() 中建立,而不是引用 fun1() 中的变量,所以才报错。

在 Python 中,我们可以使用 nonlocal 这个关键词,具体操作见下例:

>>> def fun1():
...    a = 1
...    def fun2():
...   nonlocal a
...            a += 1
...            print('fun2 -- a = ',a)
...    fun2()
...    print('fun1 -- a = ',a)
...
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然后我们调用 fun1() 函数,得到如下结果:

fun2 -- a = 2
fun1 -- a = 2
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综上所述就是嵌套函数的原理,剩下的就是在实践中去运用它,达到加深理解的目的。

这个嵌套函数,其实可以制作动态的函数对象,而这个话题延伸下去,就是所谓的「闭包」。

闭包

我们都知道在数学中有闭包的概念,但此处我要说的闭包是计算机编程语言中的概念,它被广泛的使用于函数式编程。

关于闭包的概念,官方的定义颇为严格,也很难理解,在《Python语言及其应用》一书中关于闭包的解释我觉得比较好 -- 闭包是一个可以由另一个函数动态生成的函数,并且可以改变和存储函数外创建的变量的值。乍一看,好像还是比较很难懂,下面我用一个简单的例子来解释一下:

>>> a = 1
>>> def fun():
...     print(a)
...
>>> fun()
1
>>> def fun1():
...     b = 1
...
>>> print(b)
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'b' is not defined
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毋庸置疑,第一段程序是可以运行成功的,a = 1 定义的变量在函数里可以被调用,但是反过来,第二段程序则出现了报错。

在函数 fun() 里可以直接使用外面的 a = 1,但是在函数 fun1() 外面不能使用它里面所定义的 b = 1,如果我们根据作用域的关系来解释,是没有什么异议的,但是如果在某种特殊情况下,我们必须要在函数外面使用函数里面的变量,该怎么办呢?

我们先来看下面的例子:

>>> def fun():
...    a = 1
...    def fun1():
...            return a
...    return fun1
...
>>> f = fun()
>>> print(f())
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如果你仔细看过上面文章的内容,你一定觉得的很眼熟,上述的本质就是我们所讲的嵌套函数。

在函数 fun() 里面,有 a = 1 和 函数 fun1() ,它们两个都在函数 fun() 的环境里面,但是它们两个是互不干扰的,所以 a 相对于 fun1() 来说是自由变量,并且在函数 fun1() 中应用了这个自由变量 -- 这个 fun1() 就是我们所定义的闭包。

闭包实际上就是一个函数,但是这个函数要具有

  • 1.定义在另外一个函数里面(嵌套函数);
  • 2.引用其所在环境的自由变量。

上述例子通过闭包在 fun() 执行完毕时,a = 1依然可以在 f() 中,即 fun1() 函数中存在,并没有被收回,所以 print(f()) 才得到了结果。

当我们在某些时候需要对事务做更高层次的抽象,用闭包会相当舒服。比如我们要写一个二元一次函数,如果不使用闭包的话相信你可以轻而易举的写出来,下面让我们来用闭包的方式完成这个一元二次方程:

>>> def fun(a,b,c):
...    def para(x):
...            return a*x**2 + b*x + c
...    return para
...
>>> f = fun(1,2,3)
>>> print(f(2))
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上面的函数中,f = fun(1,2,3) 定义了一个一元二次函数的函数对象,x^2 + 2x + 3,如果要计算 x = 2 ,该一元二次函数的值,只需要计算 f(2) 即可,这种写法是不是看起来更简洁一些?

当我们在后面学习了类的知识以后,再回过头来看闭包的应用,其实你会有更深的认识,这个我们在后面再做讨论,先知道有类这么一个概念就好了。

写在之后

当然闭包在实际的应用中还有很多方面,作为零基础入门这个系列我们就到此为止,不做深究,可能在后面我会在别的系列中再进一步的讲一下,如果你现在对这个方面很感兴趣,可以 Google 一下这方面的文章,有很多的。

更多内容,欢迎关注公众号「Python空间」,期待和你的交流。

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