闭包 closure

本篇教学会介绍 Python 里的“闭包 Closure”，进一步理解作用域 ( scope ) 和自由变数的概念。

快速导览：什么是闭包？、什么是作用域？ 、闭包的基本范例、自由变数 nonlocal

本篇使用的 Python 版本为 3.7.12，所有范例可使用 Google Colab 实作，不用安装任何软件 ( 参考：使用 Google Colab )

什么是闭包 closure？

闭包，从字面的意思翻译就是一个“封闭的包裹”，在包裹外的人，无法拿到包裹里的东西，如果你在包裹里，就能尽情取用包裹内的东西，闭包可以保存在函数作用范围内的状态，不会受到其他函数的影响，且无法从其他函数取得闭包内的数据，也可避免建立许多全域变数互相干扰。

闭包的定义：

• A 函数中定义了 B 函数。
• B 函数使用了 A 函数的变数。
• A 函数回传了 B 函数。

下方的程序码，就是一个简单闭包的例子。

def a(msg):
    i = '!!!'         # ------------------------ 閉包開始
    def b():          # A 函式內定義了 B 函式
        print(msg + i)  # B 函式使用了 A 函式的變數
    return b          # 將 B 函式當作回傳值 ------- 閉包結束
s = a('hello')
s()                   # 呼叫變數 s 所指向的閉包 B 函式，此時 B 函式記住了 'hello' (來自 A 函式的 msg) 和 '!!!' ( 來自 A 函式的 i )，因此輸出 'hello!!!'

什么是作用域 scope？

作用域 Scope 指的是变数、常数、函数或其他定义语句可以“被存取得到”的范围，Python 总共定义了四种作用域，从内而外分别是 Local ( 区域 )、Enclosing ( 闭包外函数 )、Global ( 全域 ) 和 Built-in ( 内置默认 )，内部的作用域无法影响到外部作用域。

闭包的范例应用

下方的程序码，会建立一个 avg 函数的闭包，执行后虽然 test() 执行了三次，但因为每次执行时保留下一个作用域的系结关系，所以会不断将传入的数值进行计算，最后就会得到 11 的结果。

def count():                # 建立一個 count 函式
    a = []                    # 函式內有區域變數 a 是串列
    def avg(val):             # 建立內置函式 avg ( 閉包 )
        a.append(val)           # 將參數數值加入變數 a
        print(a)                # 印出 a
        return sum(a)/len(a)    # 回傳 a 串列所有數值的平均
    return avg                # 回傳 avg

test = count()
test(10)      # 將 10 存入 a
test(11)      # 將 11 存入 a
test(12)      # 印出 11

自由变数 nonlocal

不过如果将上方的例子，改成变数的做法，可能就会发生错误，因为在 cal 函数里的变数 a 后方使用了“等号”，意义等同于变数的“赋值”，换句话说是新建了一个区域变数 a，就造成了名称空间里名称重叠的问题。

def count():          # 建立一個 count 函式
    a = 1               # 新增變數 a 等於 1
    def cal(val):       # 建立內置函式 cal ( 閉包 )
        a = a + val       # 設定變數 a 等於 a + val
        return a          # 回傳 a
    return cal          # 回傳 cal

test = count()
test(10)
test(11)
test(12) 

如果必须这么做，可以使用 nonlocal 的方式，宣告这个变数是“自由变数”( 不是这个区域里的变数 )，就能正常使用这个变数。

def count():
    a = 1
    def cal(val):
        nonlocal a    # 宣告 a 為自由變數
        a = a + val
        return a
    return cal

test = count()
test(10)
test(11)
test(12)    # 34 ( 1 + 10 + 11 + 12 )

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