什么是閉包

閉包（Closure）是 Python 中一個非常重要的概念，它是一種特殊的函數對象，通常用于封裝和延遲計算某些值。以下是閉包的詳細定義和解釋：

1.閉包的定義
閉包是指一個函數對象，它不僅包含函數的代碼，還綁定了函數外部的自由變量（free variable）。自由變量是指在函數內部被引用，但不是函數參數的變量。閉包允許函數訪問和操作這些自由變量，即使這些變量的作用域已經結束。

2.閉包的構成要素
一個閉包通常由以下三個部分組成：

? 外部函數：定義了自由變量的函數。

? 內部函數：在外部函數內部定義的函數，它引用了外部函數的自由變量。

? 自由變量：在內部函數中被引用，但不是內部函數參數的變量。

3.閉包的創建
閉包是通過返回內部函數來創建的。當內部函數被返回時，它會記住外部函數的自由變量，即使外部函數的作用域已經結束。這種機制使得閉包可以“記住”外部函數的上下文。

4.閉包的作用
閉包的主要作用是封裝狀態，允許函數在不使用全局變量的情況下，保存和操作一些數據。閉包可以用于實現裝飾器、延遲計算、回調函數等功能。

5.閉包的示例
以下是一個簡單的閉包示例，用于說明閉包的創建和使用：

def outer_function(x):def inner_function(y):return x + y  # x 是自由變量return inner_function  # 返回內部函數，創建閉包# 創建閉包
closure = outer_function(10)  # x 被綁定為 10# 調用閉包
result = closure(5)  # 調用 inner_function，y 為 5，結果為 15
print(result)  # 輸出 15

在這個例子中：

? outer_function是外部函數，它定義了一個自由變量x。

? inner_function是內部函數，它引用了自由變量x。

? 當outer_function被調用時，它返回了inner_function，此時inner_function記住了x的值（10），即使outer_function的作用域已經結束。

? closure是一個閉包對象，它綁定了自由變量x的值（10），并可以被多次調用。

6.閉包的特性

? 自由變量的綁定：閉包會記住外部函數的自由變量的值，即使外部函數的作用域已經結束。

? 延遲計算：閉包允許延遲計算某些值，直到內部函數被調用。

? 封裝性：閉包可以封裝狀態，避免使用全局變量，使代碼更加模塊化。

7.閉包的應用場景

? 裝飾器：Python 中的裝飾器本質上是閉包，用于在不修改原函數的情況下擴展函數的功能。

? 回調函數：閉包可以作為回調函數，保存一些上下文信息。

? 延遲計算：閉包可以用于延遲計算某些值，直到需要時才計算。

? 封裝狀態：閉包可以封裝一些狀態信息，避免使用全局變量。

8.注意事項

? 內存占用：閉包會占用一定的內存，因為它們需要保存自由變量的值。

? 變量作用域：自由變量的值是綁定在閉包創建時的值，而不是調用時的值。

? 不可變變量：如果自由變量是不可變類型（如整數、字符串等），它們的值在閉包中是固定的；如果是可變類型（如列表、字典等），它們的值可以在閉包中被修改。

全局變量使用

在 Python 中，nonlocal是一個關鍵字，用于在嵌套函數中修改外部函數（但不是全局作用域）中的變量。它是 Python 3 中引入的一個特性，用于解決嵌套函數中變量作用域的問題。

1.nonlocal的作用

在嵌套函數中，如果內部函數需要修改外部函數中的變量，而這個變量既不是全局變量，也不是內部函數的局部變量，那么就需要使用nonlocal關鍵字。nonlocal告訴 Python，變量來自外層作用域（但不是全局作用域），從而允許內部函數修改這個變量。

2.使用場景

假設有一個外部函數和一個內部函數，外部函數中定義了一個變量，內部函數需要修改這個變量。如果沒有nonlocal，Python 會認為內部函數中對變量的賦值是創建了一個新的局部變量，而不是修改外部函數中的變量。使用nonlocal可以明確告訴 Python，要修改的是外部函數中的變量。

3.示例

以下是一個使用nonlocal的示例：

def outer_function():x = 10  # 外部函數中的變量def inner_function():nonlocal x  # 使用 nonlocal 聲明 xx = 20  # 修改外部函數中的 xinner_function()  # 調用內部函數print(x)  # 輸出修改后的 xouter_function()

輸出結果為：

20

在這個例子中：

? x是outer_function中的局部變量。

? inner_function是嵌套在outer_function內部的函數。

? 如果不使用nonlocal，inner_function中的x = 20會創建一個新的局部變量x，而不會修改outer_function中的x。

? 使用nonlocal x后，inner_function中的x = 20會修改outer_function中的x。

4.nonlocal的規則

? nonlocal只能用于嵌套函數中，不能用于全局作用域。

? nonlocal聲明的變量必須在外部作用域中已經存在，不能在內部函數中直接創建一個nonlocal變量。

? nonlocal只能用于修改變量的值，不能用于重新綁定變量到一個新的對象。

5.示例：嵌套多層函數

nonlocal可以用于多層嵌套的函數中，但只能作用于直接外層的變量。例如：

def outer_function():x = 10def middle_function():def inner_function():nonlocal x  # 修改 outer_function 中的 xx = 20inner_function()middle_function()print(x)outer_function()

輸出結果為：

20

在這個例子中，inner_function中的nonlocal x修改了outer_function中的x，而不是middle_function中的x。

7.nonlocal與global的區別

? global用于聲明全局變量，可以在函數內部修改全局作用域中的變量。

? nonlocal用于聲明嵌套函數中的變量，只能修改外層函數（非全局作用域）中的變量。

閉包的主要作用就是使用裝飾器

裝飾器（Decorator）是Python提供的一種語法糖，它允許你在不修改函數本身代碼的情況下，增加函數的新功能。裝飾器本質上是一個函數，它接收一個函數作為參數并返回一個新的函數。

裝飾器的功能特點：

1. 不修改已有函數的源代碼：裝飾器不會改變被裝飾函數的代碼。

2. 不修改已有函數的調用方式：調用被裝飾的函數時，不需要改變調用方式。

3. 給已有函數增加額外的功能：裝飾器可以在不修改函數代碼的情況下，給函數增加新的功能。

裝飾器的使用：
由于裝飾器本質上就是一個閉包函數，所以在使用自定義裝飾器之前，需要先定義一個用來做裝飾器的閉包。閉包的外部函數名，就作為裝飾器名使用。

在圖中，展示了一個簡單的裝飾器示例：

import timedef count_time(func):def inner():start_time = time.time()func()stop_time = time.time()print(f"Function {func.__name__} took {stop_time - start_time} seconds to execute.")return inner# 使用裝飾器
@count_time
def example_function():time.sleep(2)print("Function is running.")

在這個例子中：

? count_time是一個裝飾器函數，它接收一個函數func作為參數，并返回一個新的函數inner。

? inner函數記錄了func函數的執行時間，并在執行前后打印相關信息。

? @count_time是裝飾器的使用方式，它將example_function函數作為參數傳遞給count_time裝飾器。

通過這種方式，example_function在執行時會自動記錄并打印其執行時間，而不需要修改example_function的代碼。這就是裝飾器的強大之處，它能夠在不改變函數代碼的情況下，給函數增加新的功能。

可變參數

在Python中，如果你需要定義一個函數來處理可變數量的參數，你可以使用*args和**kwargs來實現。這兩種方法允許你的函數接收任意數量的位置參數和關鍵字參數。

使用*args處理可變數量的位置參數

*args允許你將任意數量的位置參數傳遞給函數，這些參數在函數內部作為一個元組處理。

def fun(*args):for arg in args:print(arg)fun(1, 2, 3, 4, 5)  # 輸出: 1 2 3 4 5

在這個例子中，fun函數可以接收任意數量的位置參數，并將它們打印出來。

使用**kwargs處理可變數量的關鍵字參數

**kwargs允許你將任意數量的關鍵字參數傳遞給函數，這些參數在函數內部作為一個字典處理。

def fun(**kwargs):for key, value in kwargs.items():print(f"{key}: {value}")fun(name="Alice", age=25, city="New York")  # 輸出: name: Alice age: 25 city: New York

在這個例子中，fun函數可以接收任意數量的關鍵字參數，并將它們打印出來。

結合使用*args和**kwargs

你可以在同一個函數中同時使用*args和**kwargs，以處理任意數量的位置參數和關鍵字參數。

def fun(*args, **kwargs):for arg in args:print(arg)for key, value in kwargs.items():print(f"{key}: {value}")fun(1, 2, 3, name="Alice", age=25)  # 輸出: 1 2 3 name: Alice age: 25

在這個例子中，fun函數可以同時接收任意數量的位置參數和關鍵字參數。

裝飾器中使用*args和**kwargs

當你在裝飾器中處理被裝飾函數時，如果被裝飾函數可能接收可變數量的參數，你需要在裝飾器的包裝函數中傳遞這些參數。

import timedef count_time(func):def wrapper(*args, **kwargs):start_time = time.time()result = func(*args, **kwargs)end_time = time.time()print(f"Function {func.__name__} took {end_time - start_time} seconds to execute.")return resultreturn wrapper@count_time
def greet(name, *args, **kwargs):print(f"Hello, {name}!")for arg in args:print(arg)for key, value in kwargs.items():print(f"{key}: {value}")greet("Alice", 25, city="New York")  # 輸出: Hello, Alice! 25 city: New York

在這個例子中，greet函數可以接收一個位置參數name，任意數量的位置參數*args，以及任意數量的關鍵字參數**kwargs。裝飾器count_time通過在包裝函數wrapper中使用*args和**kwargs，確保了這些參數能夠正確地傳遞給greet函數。