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Python Closure

n7then / 2004人閱讀

摘要：在計算機科學中，閉包又稱詞法閉包或函數閉包，是引用了自由變量的函數。閉包被廣泛應用于函數式語言中。運用閉包可以避免對全局變量的使用。將棧頂的元素取出，創建元組，并將該元組進棧。

在計算機科學中，閉包 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。閉包被廣泛應用于函數式語言中。

從上面這段話中可以看出閉包的兩個重要條件是引用自由變量和函數，與閉包這個名稱結合起來看，這個函數就像是一個包，而這個函數所引用的變量就好比函數這個包中封閉起來的東西，包中的東西被緊緊封閉在包中，函數所引用的變量也被與這個函數所綁定。

首先來看兩個概念 Nonlocal variable 和 Nested function

Nonlocal variable & Nested function

Nonlocal variable是相對于某個函數來說的，指的是這個函數所調用的在本函數作用域之外的變量，Nested function指的被定義在一個函數(outer enclosing function)中的函數，這個nested function可以調用包圍它的作用域中的變量。

看一個例子

def print_msg(msg):
    # outer enclosing function

    def printer():
        # nested function
        print(msg)

    printer()

>>> print_msg("Hello")
Hello

在這個例子中函數printer就是一個nested function，而變量msg就是一個nonlocal variable。這里需要注意的是，printer雖然可以訪問msg，但是不可以改變它，如果嘗試更改會出現UnboundLocalError: local variable "msg" referenced before assignment。

def print_msg(msg):
    def printer():
        msg += "a"
        print(msg)
    printer()

>>> print_msg("Hello")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
  File "", line 5, in print_msg
  File "", line 3, in printer
UnboundLocalError: local variable "msg" referenced before assignment
local variable "msg" referenced before assignment

如果必須要更改這個變量的值，在Python3中新引入的nonlocal語句可以解決。

def print_msg(msg):
    def printer():
        nonlocal msg
        msg += "a"
        print(msg)
    printer()

>>> print_msg("Hello")
Helloa

在Python2中使用global也可解決，但是global會直接查找全局變量，而nonlocal則是按優先級從本地-->全局進行搜索。

閉包函數

下面使外層函數(outer enclosing function)返回一個函數

def print_msg(msg):
    def printer():
        print(msg)
    return printer

>>> another = print_msg("Hello")
>>> another()
Hello

將print_msg("Hello")返回的函數賦值給another，再調用another函數時，發現已經離開了print_msg函數的作用域，但是"Hello"已經被綁定給another,所以仍然能夠正常調用，這就是Python中的閉包。

刪除print_msg之后，another仍然能夠正常調用。

>>> del print_msg
>>> print_msg("Hello")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
NameError: name "print_msg" is not defined
name "print_msg" is not defined

>>> another()
Hello
閉包的應用

當符合下面幾個條件時就形成了閉包：

有一個Nested function

這個Nested function訪問了父函數作用域中的變量

父函數返回了這個Nested function

閉包主要運用在需要講父函數作用域中的變量綁定到子函數的場景之中，在釋放掉父函數之后子函數也不會受到影響。運用閉包可以避免對全局變量的使用。對于一個只有需要實現少數方法的類我們也可以用閉包來替代，這樣做可以減少資源的使用。

下面需要用類定義不同動物的叫聲

class Animal:
    def __init__(self, animal):
        self.animal = animal
    def sing(self, voice):
        return "{} sings {}".format(self.animal, voice)

>>> dog = Animal("dog")
>>> cow = Animal("cow")
>>> dog.sing("wong")
"dog sings wong"
>>> cow.sing("mow")
cow sings mow"

用閉包替代

def make_sing(animal):
    def make_voice(voice):
        return "{} sings {}".format(animal, voice)
    return make_voice

>>> dog = make_sing("dog")
>>> dog("wong")
"dog sings wong"
>>> cow = make_sing("cow")
>>> cow("mow")
"cow sings mow"
閉包與裝飾器

閉包通常用來實現一個通用的功能，Python中的裝飾器就是對閉包的一種應用，只不過裝飾器中父函數的參數是一個函數,下面這個例子通過裝飾器實現了在子函數執行前后輸出提示信息。

def make_wrap(func):
    def wrapper(*args):
        print("before function")
        func(*args)
        print("after function")
    return wrapper

@make_wrap
def print_msg(msg):
    print(msg)

>>> print_msg("Hello")
before function
Hello
after function

裝飾器也可以進行疊加

def make_another(func):
    def wrapper(*args):
        print("another begin")
        func(*args)
        print("another end")
    return wrapper

@make_another
@make_wrap
def print_msg(msg):
    print(msg)

>>> print_msg("Hello")
another begin
before function
Hello
after function
another end
閉包的內部實現 Code Object

為了了解閉包的內部實現，需要用compile命令得出相應的code object

>>> code_obj = compile("print_msg("Hello")", "", "single")

這里第一個參數是一個可以被exec或 eval解析的模塊、語句或者表達式；

第二個參數是用來存放運行時錯誤的文件;

第三個選擇single模式，與前面第一個參數填寫的表達式相匹配，如果第一個參數是表達式則需要用eval模式，如果是模塊則應該用exec模式。

下面通過dis講code_obj反編譯成助記符

>>> dis.dis(code_obj)
  1           0 LOAD_NAME                0 (print_msg)
              2 LOAD_CONST               0 ("Hello")
              4 CALL_FUNCTION            1
              6 PRINT_EXPR
              8 LOAD_CONST               1 (None)
             10 RETURN_VALUE

Python3中通過__code__訪問函數的code object(Python2中為func_code)

>>> print_msg.__code__
", line 1>
Cell Object

cell object用來存儲被多個作用域所引用的變量。

比如下面函數中msg被print_msg所引用，也被printer所引用，所以msg會被存在一個cell object中

def print_msg(msg):
    def printer():
        print(msg)
    return printer

查看其__closure__屬性可以驗證我們的想法

>>> print_msg("Hello").__closure__
(,)

盡管這兩個引用都被存在同意個cell object，但是他們仍然只在各自的作用域下作用。

閉包分析

首先反編譯print_msg

>>> dis.dis(print_msg)
  2           0 LOAD_CLOSURE             0 (msg)
              2 BUILD_TUPLE              1
              4 LOAD_CONST               1 (", line 2>)
              6 LOAD_CONST               2 ("print_msg..printer")
              8 MAKE_FUNCTION            8
             10 STORE_FAST               1 (printer)

  4          12 LOAD_FAST                1 (printer)
             14 RETURN_VALUE

LOAD_CLOSURE 0 (msg)將變量msg進棧。

BUILD_TUPLE 1 將棧頂的元素取出，創建元組，并將該元組push進棧。

LOAD_CONST 1從print_msg.__code__.co_consts[1]中取出，為printer的code object的地址，將其push進棧。

LOAD_CONST 2從print_msg.__code__.co_consts[2]中取出，將其push進棧。

STORE_FAST 1從棧頂取出之前創建的函數對象的地址信息賦給局部變量printer(局部變量名記錄在__code__.co_varnames中)
__code__.co_varnames的內容為("msg","printer")

將變量msg(記錄在__code__.co_cellvars[0])綁定棧頂的函數對象地址。

LOAD_FAST 1將msg的值壓入棧。

RETURN_VALUE返回棧頂。

可以看到在STORE_FAST 1中將變量msg綁定到了printer函數，從而達到了閉包中內部函數訪問外部函數變量的效果。

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