Python深入04 閉包

作者：Vamei 出處：http://www.rzrgm.cn/vamei 歡迎轉載，也請保留這段聲明。謝謝！

閉包(closure)是函數式編程的重要的語法結構。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，并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。

不同的語言實現閉包的方式不同。Python以函數對象為基礎，為閉包這一語法結構提供支持的 (我們在特殊方法與多范式中，已經多次看到Python使用對象來實現一些特殊的語法)。Python一切皆對象，函數這一語法結構也是一個對象。在函數對象中，我們像使用一個普通對象一樣使用函數對象，比如更改函數對象的名字，或者將函數對象作為參數進行傳遞。

函數對象的作用域

和其他對象一樣，函數對象也有其存活的范圍，也就是函數對象的作用域。函數對象是使用def語句定義的，函數對象的作用域與def所在的層級相同。比如下面代碼，我們在line_conf函數的隸屬范圍內定義的函數line，就只能在line_conf的隸屬范圍內調用。

def line_conf():
    def line(x):
        return 2*x+1
    print(line(5))   # within the scope


line_conf()
print(line(5))       # out of the scope

line函數定義了一條直線(y = 2x + 1)。可以看到，在line_conf()中可以調用line函數，而在作用域之外調用line將會有下面的錯誤：

NameError: name 'line' is not defined

說明這時已經在作用域之外。

同樣，如果使用lambda定義函數，那么函數對象的作用域與lambda所在的層級相同。

閉包

函數是一個對象，所以可以作為某個函數的返回結果。

def line_conf():
    def line(x):
        return 2*x+1
    return line       # return a function object

my_line = line_conf()
print(my_line(5))       

上面的代碼可以成功運行。line_conf的返回結果被賦給line對象。上面的代碼將打印11。

如果line()的定義中引用了外部的變量，會發生什么呢？

def line_conf():
    b = 15
    def line(x):
        return 2*x+b
    return line       # return a function object

b = 5
my_line = line_conf()
print(my_line(5))       

我們可以看到，line定義的隸屬程序塊中引用了高層級的變量b，但b信息存在于line的定義之外 (b的定義并不在line的隸屬程序塊中)。我們稱b為line的環境變量。事實上，line作為line_conf的返回值時，line中已經包括b的取值(盡管b并不隸屬于line)。

上面的代碼將打印25，也就是說，line所參照的b值是函數對象定義時可供參考的b值，而不是使用時的b值。

一個函數和它的環境變量合在一起，就構成了一個閉包(closure)。在Python中，所謂的閉包是一個包含有環境變量取值的函數對象。環境變量取值被保存在函數對象的__closure__屬性中。比如下面的代碼：

def line_conf():
    b = 15
    def line(x):
        return 2*x+b
    return line       # return a function object

b = 5
my_line = line_conf()
print(my_line.__closure__)
print(my_line.__closure__[0].cell_contents)

__closure__里包含了一個元組(tuple)。這個元組中的每個元素是cell類型的對象。我們看到第一個cell包含的就是整數15，也就是我們創建閉包時的環境變量b的取值。

下面看一個閉包的實際例子：

def line_conf(a, b):
    def line(x):
        return a*x + b
    return line

line1 = line_conf(1, 1)
line2 = line_conf(4, 5)
print(line1(5), line2(5))

這個例子中，函數line與環境變量a,b構成閉包。在創建閉包的時候，我們通過line_conf的參數a,b說明了這兩個環境變量的取值，這樣，我們就確定了函數的最終形式(y = x + 1和y = 4x + 5)。我們只需要變換參數a,b，就可以獲得不同的直線表達函數。由此，我們可以看到，閉包也具有提高代碼可復用性的作用。

如果沒有閉包，我們需要每次創建直線函數的時候同時說明a,b,x。這樣，我們就需要更多的參數傳遞，也減少了代碼的可移植性。利用閉包，我們實際上創建了泛函。line函數定義一種廣泛意義的函數。這個函數的一些方面已經確定(必須是直線)，但另一些方面(比如a和b參數待定)。隨后，我們根據line_conf傳遞來的參數，通過閉包的形式，將最終函數確定下來。

閉包與并行運算

閉包有效的減少了函數所需定義的參數數目。這對于并行運算來說有重要的意義。在并行運算的環境下，我們可以讓每臺電腦負責一個函數，然后將一臺電腦的輸出和下一臺電腦的輸入串聯起來。最終，我們像流水線一樣工作，從串聯的電腦集群一端輸入數據，從另一端輸出數據。這樣的情境最適合只有一個參數輸入的函數。閉包就可以實現這一目的。

并行運算正稱為一個熱點。這也是函數式編程又熱起來的一個重要原因。函數式編程早在1950年代就已經存在，但應用并不廣泛。然而，我們上面描述的流水線式的工作并行集群過程，正適合函數式編程。由于函數式編程這一天然優勢，越來越多的語言也開始加入對函數式編程范式的支持。

歡迎繼續閱讀“Python快速教程”