Python 闭包详解：原理、创建条件与实际应用场景

Python 闭包的使用方法

嵌套函数中的非局部变量

在深入探讨闭包之前，需要先理解嵌套函数和非局部变量这两个核心概念。

嵌套函数是指在另一个函数内部定义的函数。这种内部函数有权访问其外层函数作用域内的变量。

在 Python 中，默认情况下这些非局部变量只能被读取。若要在嵌套函数中修改外层函数的变量，必须使用 `nonlocal` 关键字显式声明。

以下是访问非局部变量的嵌套函数示例。

def print_msg(msg):
# This is the outer enclosing function

  def printer():
# This is the nested function
    print(msg)

  printer()

# We execute the function
# Output: Hello
print_msg("Hello")

从代码可以看出，嵌套函数 `printer()` 成功访问了外层函数 `print_msg()` 中的非局部变量 `msg`。

定义闭包函数

如果修改上述示例，让 `print_msg()` 函数最后一行返回 `printer` 函数对象本身而不是调用它，结果会如何？定义方式如下所示：

def print_msg(msg):
# This is the outer enclosing function

  def printer():
# This is the nested function
    print(msg)

  return printer # this got changed

# Now let's try calling this function.
# Output: Hello
another = print_msg("Hello")
another()

这种写法看似不寻常，但揭示了闭包的本质。

当使用字符串“Hello”调用 `print_msg()` 时，返回的函数被赋值给另一个变量。即使 `print_msg()` 的执行已经结束，调用该返回函数（如 `another()`）时，它依然能记住并访问当初传入的消息。

这种将数据（如“Hello”）附加到代码执行环境中的技术，在 Python 中被称为闭包。

即使外层变量已经超出作用范围，或者外层函数本身已从当前命名空间中删除，闭包仍能保留并访问其封闭范围内的值。

你可以在 Python 交互环境中尝试以下代码以验证输出结果。

>>> del print_msg
>>> another()
Hello
>>> print_msg("Hello")
Traceback (most recent call last):
...
NameError: name 'print_msg' is not defined

什么时候形成闭包？

通过上述示例可以看出，当嵌套函数引用了其封闭作用域内的值时，Python 便形成了一个闭包。

在 Python 中创建有效的闭包必须满足以下三个标准：

• 必须存在一个嵌套函数（即函数内部定义的函数）。
• 嵌套函数必须引用封闭函数中定义的值（非局部变量）。
• 闭包函数必须返回该嵌套函数。

何时使用闭包？

那么，闭包的优势究竟在哪里？

闭包能够有效避免使用全局变量，并提供一定程度的数据隐藏。此外，它还能提供一种面向对象的解决方案。

当类中仅包含极少的方法（通常只有一种方法）时，使用闭包可以提供一个更简洁、优雅的替代方案。然而，如果类的属性和方法数量较多，则实现一个完整的类更为合适。

这是一个简单的示例，展示了在特定场景下闭包比定义类和创建对象更具优先级的情况。

 
def make_multiplier_of(n):
  def multiplier(x):
    return x * n
  return multiplier

# Multiplier of 3
times3 = make_multiplier_of(3)

# Multiplier of 5
times5 = make_multiplier_of(5)

# Output: 27
print(times3(9))

# Output: 15
print(times5(3))

# Output: 30
print(times5(times3(2)))

Python 中的装饰器也广泛使用了闭包机制。值得注意的是，装饰器内部可以访问封闭函数中包含的值。

所有函数对象都拥有一个 `__closure__` 属性。如果该函数是闭包，此属性将返回一个包含单元格对象（cell object）的元组。参考前文示例，我们知道 `times3` 和 `times5` 均为闭包函数。

>>> make_multiplier_of.__closure__
>>> times3.__closure__
(<cell at 0x0000000002D155B8: int object at 0x000000001E39B6E0>,)

单元格（cell）对象具有一个名为 `cell_contents` 的属性，用于存储闭包中的值。

>>> times3.__closure__[0].cell_contents
3
>>> times5.__closure__[0].cell_contents
5

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