Python 基礎(chǔ)教程之閉包的使用方法

前言：

閉包(closure)是函數(shù)式編程的重要的語法結(jié)構(gòu)。函數(shù)式編程是一種編程范式 (而面向過程編程和面向?qū)ο缶幊桃捕际蔷幊谭妒?。在面向過程編程中，我們見到過函數(shù)(function)；在面向?qū)ο缶幊讨?，我們見過對(duì)象(object)。函數(shù)和對(duì)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(fù)使用性(reusability)。閉包也是一種組織代碼的結(jié)構(gòu)，它同樣提高了代碼的可重復(fù)使用性。

不同的語言實(shí)現(xiàn)閉包的方式不同。Python以函數(shù)對(duì)象為基礎(chǔ)，為閉包這一語法結(jié)構(gòu)提供支持的 (我們?cè)谔厥夥椒ㄅc多范式中，已經(jīng)多次看到Python使用對(duì)象來實(shí)現(xiàn)一些特殊的語法)。Python一切皆對(duì)象，函數(shù)這一語法結(jié)構(gòu)也是一個(gè)對(duì)象。在函數(shù)對(duì)象中，我們像使用一個(gè)普通對(duì)象一樣使用函數(shù)對(duì)象，比如更改函數(shù)對(duì)象的名字，或者將函數(shù)對(duì)象作為參數(shù)進(jìn)行傳遞。

 函數(shù)對(duì)象的作用域

和其他對(duì)象一樣，函數(shù)對(duì)象也有其存活的范圍，也就是函數(shù)對(duì)象的作用域。函數(shù)對(duì)象是使用def語句定義的，函數(shù)對(duì)象的作用域與def所在的層級(jí)相同。比如下面代碼，我們?cè)趌ine_conf函數(shù)的隸屬范圍內(nèi)定義的函數(shù)line，就只能在line_conf的隸屬范圍內(nèi)調(diào)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(shù)定義了一條直線(y = 2x + 1)。可以看到，在line_conf()中可以調(diào)用line函數(shù)，而在作用域之外調(diào)用line將會(huì)有下面的錯(cuò)誤：

NameError: name 'line' is not defined

說明這時(shí)已經(jīng)在作用域之外。

同樣，如果使用lambda定義函數(shù)，那么函數(shù)對(duì)象的作用域與lambda所在的層級(jí)相同。

 閉包

函數(shù)是一個(gè)對(duì)象，所以可以作為某個(gè)函數(shù)的返回結(jié)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(yùn)行。line_conf的返回結(jié)果被賦給line對(duì)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(huì)發(fā)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(jí)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(huán)境變量。事實(shí)上，line作為line_conf的返回值時(shí)，line中已經(jīng)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(shù)對(duì)象定義時(shí)可供參考的b值，而不是使用時(shí)的b值。

一個(gè)函數(shù)和它的環(huán)境變量合在一起，就構(gòu)成了一個(gè)閉包(closure)。在Python中，所謂的閉包是一個(gè)包含有環(huán)境變量取值的函數(shù)對(duì)象。環(huán)境變量取值被保存在函數(shù)對(duì)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(gè)元組(tuple)。這個(gè)元組中的每個(gè)元素是cell類型的對(duì)象。我們看到第一個(gè)cell包含的就是整數(shù)15，也就是我們創(chuàng)建閉包時(shí)的環(huán)境變量b的取值。

下面看一個(gè)閉包的實(shí)際例子：

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

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

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

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

閉包與并行運(yùn)算

閉包有效的減少了函數(shù)所需定義的參數(shù)數(shù)目。這對(duì)于并行運(yùn)算來說有重要的意義。在并行運(yùn)算的環(huán)境下，我們可以讓每臺(tái)電腦負(fù)責(zé)一個(gè)函數(shù)，然后將一臺(tái)電腦的輸出和下一臺(tái)電腦的輸入串聯(lián)起來。最終，我們像流水線一樣工作，從串聯(lián)的電腦集群一端輸入數(shù)據(jù)，從另一端輸出數(shù)據(jù)。這樣的情境最適合只有一個(gè)參數(shù)輸入的函數(shù)。閉包就可以實(shí)現(xiàn)這一目的。

并行運(yùn)算正稱為一個(gè)熱點(diǎn)。這也是函數(shù)式編程又熱起來的一個(gè)重要原因。函數(shù)式編程早在1950年代就已經(jīng)存在，但應(yīng)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(shù)式編程。由于函數(shù)式編程這一天然優(yōu)勢(shì)，越來越多的語言也開始加入對(duì)函數(shù)式編程范式的支持。

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