Python-闭包与自由变量

闭包

闭包（Closure）是Python中的高级概念，它只出现在嵌套函数中，但和嵌套函数有很大的不同，那就是闭包使用了一个叫自由变量的东西。

实际中，闭包就是一个函数，只不过这个函数可以引用没有在该函数内部定义的变量，这个函数本身可以是匿名函数也可以是非匿名函数。

光说不练假把式，下面通过一个例子理解一下。

def make_averager():series = []def averager(new_value):series.append(new_value)print("series in averager: ", series)total = sum(series)return total / len(series)return averager

上面定义了一个函数 make_averager，这个函数的返回值是一个函数对象 averager，谨记“Python中一切皆可对象”的真理。当每次 averager 被调用的时候，它就会接收一个新的值，并把这个值添加到 series 数组中，并计算此时数组的平均值。这个函数到底有什么威力呢？再来看下面的使用例子。

avg = make_averager()
print(avg(10))
print(avg(11))

输出结果如下：

series in averager:  [10]
10.0
series in averager:  [10, 11]
10.5

看出端倪了吗? 通过调用 avg(n) 就可以实现更新历史 series 并且计算当前 series 的平均值。那么到底是如何实现更新 series 呢？讲道理，series 是 make_averager 函数中定义的一个局部变量，并且当通过 avg(n)调用时，明显 make_averager已经被执行过了，应该就访问不到 series 变量了。

实际上在嵌套函数 averager 中，series 是一个自由变量（free variable），表明这个变量没有被绑定在局部作用域中，同时 averager函数的闭包行为使得它可以访问到这个自由变量。

这里的自由变量 series 保存在函数的只读属性 __closure__ 中，我们可以打印看一下：

print(avg.__closure__)
(<cell at 0x11822a8e8: list object at 0x1166541c8>,)print("####:",avg.__closure__[0].cell_contents)
####: [10, 11]

可以看到 __closure__存储的是一个 list 对象，通过第二个 print 也可以看到当前 series 中的两个元素。

如果这个函数仅仅是嵌套函数，那么它的 __closure__ 应该是 None。

nonlocal

上面代码中的 series 是可变变量，在内部函数中使用时没有问题，但如果是不可变变量，如 string、number、tuple 等，在内部函数引用则会报错。还是上面的例子，将它稍微改写一下，变成下面的代码，好处是不用每次都重新计算 series 的 sum。

def make_averager():total = 0count = 0def averager(new_value):count += 1total += new_valuereturn total / countreturn averageravg = make_averager()
print(avg(10))

这时运行代码则会报错，报错信息如下：

UnboundLocalError                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-323-5c1ff34d8622> in <module>9 10 avg = make_averager()
---> 11 print(avg(10))12 13 print(avg.__closure__)<ipython-input-323-5c1ff34d8622> in averager(new_value)3     count = 04     def averager(new_value):
----> 5         count += 16         total += new_value7         return total / countUnboundLocalError: local variable 'count' referenced before assignment

问题出在 count+=1 这行代码，为什么呢？因为在Python中并没有要求先声明一个变量，所以Python解释器任务在函数体内，只要对一个变量进行赋值操作，那么这个变量就是局部变量。而 count+=1相当于 count=count+1，对 count 进行了赋值操作，所以Python解释器认为 count 是函数内的局部变量，但是从执行顺序上来说，count+1则是先执行的，先引用了局部变量 count，即使外面有一个同名的 count 变量。并且此时 count 就不再是自由变量了，也不会存储在 __closure__中。

那么如何解决这个问题呢？Python3中引入了 nonlocal关键字，它可以使得一个被赋值的局部变量变为自由变量，并且 nonlocal声明的变量发生变化时，__closure__中存储的值也会发生变化。所以只要对 count 及 total 变量加上 nonlocal的声明就可以了，即：

def make_averager():total = 0count = 0def averager(new_value):nonlocal count, totalcount += 1total += new_valuereturn total / countreturn averageravg = make_averager()
print(avg(10))
print("####:",avg.__closure__[0].cell_contents, avg.__closure__[1].cell_contents)print(avg(11))
print("####:",avg.__closure__[0].cell_contents, avg.__closure__[1].cell_contents)

运行结果为：

10.0
####: 1 10
10.5
####: 2 21

打印 __closure__ 的值，也可以发现确实发生了变化。

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