說說Python中的閉包 - Closure

Python中的閉包不是一個一說就能明白的概念，但是隨著你往學習的深入，無論如何你都需要去了解這麼一個東西。

閉包的概念

我們試著從概念上去理解一下閉包。

在某些語言中，在函數中可以(嵌套)定義另一個函數時，如果內部的函數引用了外部的函數的變量，則可能產生閉包。閉包可以用來在一個函數與一組「私有」變數之間建立關聯關係。在給定函數被多次呼叫的過程中，這些私有變數能夠保持其持久性。

—— 維基百科)

用比較容易懂的人話說，就是當某個函數被當成對象返回時，夾帶了外部變量，就形成了一個閉包。看例子。

def make_printer(msg): 
    def printer(): 
        print msg  # 夹带私货（外部变量） 
    return printer  # 返回的是函数，带私货的函数 
 
printer = make_printer('Foo!') 
printer()

支援將函數當成物件使用的程式語言，一般都支援閉包。比如Python, JavaScript。

如何理解閉包

閉包存在有什麼意義呢?為什麼需要閉包?

我個人認為，閉包存在的意義就是它夾帶了外部變量(私貨)，如果它不夾帶私貨，它和普通的函數就沒有任何差別。同一個的函數夾帶了不同的私貨，就實現了不同的功能。其實你也可以這麼理解，閉包和麵向介面程式設計的概念很像，可以把閉包理解成輕量級的介面封裝。

介面定義了一套對方法簽章的約束規則。

def tag(tag_name): 
    def add_tag(content): 
        return "<{0}>{1}</{0}>".format(tag_name, content) 
    return add_tag 
 
content = &#39;Hello&#39; 
 
add_tag = tag(&#39;a&#39;) 
print add_tag(content) 
# <a>Hello</a> 
 
add_tag = tag(&#39;b&#39;) 
print add_tag(content) 
# <b>Hello</b>

在這個例子裡，我們想要一個給content加tag的功能，但是具體的tag_name是什麼樣子的要根據實際需求來定，對外部呼叫的介面已經確定，就是add_tag(content)。如果按照面向接口方式實現，我們會先把add_tag寫成接口，指定其參數和返回類型，然後分別去實現a和b的add_tag。

但是在閉包的概念中，add_tag就是一個函數，它需要tag_name和content兩個參數，只不過tag_name這個參數是打包拿走的。所以一開始就可以告訴我怎麼打包，然後拿走就行。

上面的例子不太生動，其實在我們生活和工作中，閉包的概念也很常見。比如說手機撥號，你只在乎電話打給誰，而不會去糾結每個品牌的手機是怎麼實現的，用到了哪些模組。再例如去餐廳吃飯，你只要付錢就可以享受到服務，你並不知道那桌飯菜用了多少地溝油。這些都可以看成閉包，返回的是一些功能或者服務(打電話，用餐)，但是這些功能使用了外部變量(天線，地溝油等等)。

你也可以把一個類別實例看成閉包，當你在建構這個類別時，使用了不同的參數，這些參數就是閉包裡的包，這個類別對外提供的方法就是閉包的功能。但是類別遠大於閉包，因為閉包只是一個可以執行的函數，但是類別實例則有可能提供很多方法。

何時使用閉包

其實閉包在Python中很常見，只不過你沒特別注意這就是一個閉包。例如Python中的裝飾器Decorator，如果你需要寫一個有參數的裝飾器，那麼一般都會產生閉包。

為什麼?因為Python的裝飾器是一個固定的函數介面形式。它要求你的裝飾器函數(或裝飾器類別)必須接受一個函數並返回一個函數：

# how to define 
def wrapper(func1):  # 接受一个callable对象 
    return func2  # 返回一个对象，一般为函数 
     
# how to use 
def target_func(args): # 目标函数 
    pass 
 
# 调用方式一，直接包裹 
result = wrapper(target_func)(args) 
 
# 调用方式二，使用@语法，等同于方式一 
@wrapper 
def target_func(args): 
    pass 
 
result = target_func()

那麼如果你的裝飾器如果帶參數呢?那麼你就需要在原來的裝飾器上再包一層，用於接收這些參數。這些參數(私貨)傳遞到內層的裝飾器裡後，閉包就形成了。所以說當你的裝飾器需要自訂參數時，通常都會形成閉包。 (類裝飾器例外)

def html_tags(tag_name): 
    def wrapper_(func): 
        def wrapper(*args, **kwargs): 
            content = func(*args, **kwargs) 
            return "<{tag}>{content}</{tag}>".format(tag=tag_name, content=content) 
        return wrapper 
    return wrapper_ 
 
@html_tags(&#39;b&#39;) 
def hello(name=&#39;Toby&#39;): 
    return &#39;Hello {}!&#39;.format(name) 
 
# 不用@的写法如下 
# hello = html_tag(&#39;b&#39;)(hello) 
# html_tag(&#39;b&#39;) 是一个闭包，它接受一个函数，并返回一个函数 
 
print hello()  # <b>Hello Toby!</b> 
print hello(&#39;world&#39;)  # <b>Hello world!</b>

關於裝飾器的更深入剖析，可以看我寫的另外一篇部落格。

再深入一點

其實也不必太深入，理解這上面的概念，很多看起來頭痛的程式碼也不過如此。

下面讓我們來了解一下閉包的包到底長什麼樣子。其實閉包函數相對與普通函數會多出一個__closure__的屬性，裡面定義了一個元組用於存放所有的cell對象，每個cell對像一一保存了這個閉包中所有的外部變數。

>>> def make_printer(msg1, msg2): 
    def printer(): 
        print msg1, msg2 
    return printer 
>>> printer = make_printer('Foo', 'Bar')  # 形成闭包 
 
>>> printer.__closure__   # 返回cell元组 
(<cell at 0x03A10930: str object at 0x039DA218>, <cell at 0x03A10910: str object at 0x039DA488>) 
 
>>> printer.__closure__[0].cell_contents  # 第一个外部变量 
&#39;Foo&#39; 
>>> printer.__closure__[1].cell_contents  # 第二个外部变量 
&#39;Bar&#39;

原理就是這麼簡單。