簡單談談Python中的閉包

Python中的閉包

前幾天又有人留言，關於其中一個閉包和re.sub的使用不太清楚。我在腳本之家搜尋了下，發現沒有寫過閉包相關的東西，所以我決定總結一下，完善Python的內容。

1. 閉包的概念

首先還得從基本概念說起，什麼是閉包呢？來看下維基上的解釋:

複製程式碼 程式碼如下:

在電腦科學中，閉包(Closure)是詞法閉包(Lexical Closure)的簡稱，是引用了自由變數的函數。這個被引用的自由變數將會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。所以，有另一種說法認為閉包是由函數和與其相關的引用環境組合而成的實體。閉包在運行時可以有多個實例，不同的引用環境和相同的函數組合可以產生不同的實例。
....

上面提到了兩個關鍵的地方： 自由變數 和 函數, 這兩個關鍵稍後再說。還是得在贅述下「閉包」的意思，望文知意，可以形象的把它理解為一個封閉的包裹，這個包裹就是一個函數，當然還有函數內部對應的邏輯，包裹裡面的東西就是自由變量，自由變量可以在隨著包裹到處遊蕩。當然還得有個前提，這個包裹是被創造出來的。

在透過Python的語言介紹一下，一個閉包就是你呼叫了一個函數A，這個函數A回傳了一個函數B給你。這個回傳的函數B就叫做閉包。你在呼叫函數A的時候傳遞的參數就是自由變數。

舉例：

def func(name):
 def inner_func(age):
  print 'name:', name, 'age:', age
 return inner_func

bb = func('the5fire')
bb(26) # >>> name: the5fire age: 26

在這裡面呼叫func的時候就產生了一個閉包－inner_func,並且該閉包持有自由變數－name，因此這也意味著，當函數func的生命週期結束之後，name這個變數依然存在，因為它被閉包引用了，所以不會被回收。

另外再說一點，閉包並不是Python中特有的概念，所有把函數做為一等公民的語言都有閉包的概念。不過像Java這樣以class為一等公民的語言中也可以使用閉包，只是它得用類別或介面來實現。

更多概念上的東西可以參考最後的參考連結。

2. 為什麼要使用閉包

基於上面的介紹，不知道讀者有沒有感覺這個東西和類別有點相似，相似點在於他們都提供了對數據的封裝。不同的是閉包本身就是一種方法。和類別一樣，我們在程式設計時常常會把通用的東西抽象成類，(當然，還有對現實世界－業務的建模)，以復用通用的功能。閉包也是一樣，當我們需要函數粒度的抽象時，閉包就是一個很好的選擇。

在這點上閉包可以被理解為一個只讀的對象，你可以給他傳遞一個屬性，但它只能提供給你一個執行的接口。因此在程式中我們常常需要這樣的函數物件──閉包，來幫我們完成一個通用的功能，像是後面會提到的──裝飾器。

3. 使用閉包

第一種場景，在python中很重要也很常見的一個使用場景就是裝飾器，Python為裝飾器提供了一個很友好的“語法糖”——@，讓我們可以很方便的使用裝飾器，裝飾的原理不做過多闡述，簡言之你在一個函數func上加上@decorator_func, 就相當於decorator_func(func):

def decorator_func(func):
 def wrapper(*args, **kwargs):
  return func(*args, **kwargs)
 return wrapper

@decorator_func
def func(name):
 print 'my name is', name

# 等价于
decorator_func(func)

在裝飾器的這個例子中，閉包(wrapper)持有了外部的func這個參數，並且能夠接受外部傳過來的參數，接受過來的參數在原封不動的傳給func，並返回執行結果。

這是個簡單的例子，稍微複雜點可以有多個閉包，例如經常使用的那個LRUCache的裝飾器，裝飾器上可以接受參數@lru_cache(expire=500)這樣。實現起來就是兩個閉包的巢狀:

def lru_cache(expire=5):
 # 默认5s超时
 def func_wrapper(func):
  def inner(*args, **kwargs):
   # cache 处理 bala bala bala
   return func(*args, **kwargs)
  return inner
 return func_wrapper

@lru_cache(expire=10*60)
def get(request, pk)
 # 省略具体代码
 return response()

不太懂閉包的同學一定得能夠理解上述代碼，這是我們之前面試常會問到的面試題。

第二個場景 ，就是基於閉包的一個特性－「惰性求值」。這個應用程式比較常見的是在資料庫存取的時候，比如說：

# 伪代码示意

class QuerySet(object):
 def __init__(self, sql):
  self.sql = sql
  self.db = Mysql.connect().corsor() # 伪代码

 def __call__(self):
  return db.execute(self.sql)

def query(sql):
 return QuerySet(sql)

result = query("select name from user_app")
if time > now:
 print result # 这时才执行数据库访问

上面這個不太恰當的例子展示了透過閉包完成惰性求值的功能，但是上面query回傳的結果並不是函數，而是具有函數功能的類別。有興趣的可以去看看Django的queryset的實現，原理類似。

第三種場景 ， 需要對某個函數的參數提前賦值的情況，當然在Python中已經有了很好的解決訪問 functools.parial,但是用閉包也能實現。

def partial(**outer_kwargs):
 def wrapper(func):
  def inner(*args, **kwargs):
   for k, v in outer_kwargs.items():
    kwargs[k] = v
   return func(*args, **kwargs)
  return inner
 return wrapper

@partial(age=15)
def say(name=None, age=None):
 print name, age

say(name="the5fire")
# 当然用functools比这个简单多了
# 只需要： functools.partial(say, age=15)(name='the5fire')

看起來這又是一個牽強的例子，不過也算是實踐了閉包的應用。

最後總結下，閉包這東西理解起來還是很容易的，在Python中的應用也很廣泛，這篇文章算是對閉包的一個總結，有任何疑問歡迎留言交流。

4. 參考資料

維基百科-閉包

http://stackoverflow.com/questions/4020419/closures-in-python

http://www.shutupandship.com/2012/01/python-closures-explained.html

http://stackoverflow.com/questions/141642/what-limitations-have-closures-in-python-compared-to-language-x-closures

http://mrevelle.blogspot.com/2006/10/closure-on-closures.html