Python 的闭包简介

闭包是较难理解的概念，Python 初学者可以暂时跳过此节。学习此节时需要理解 “函数是第一类对象” 的概念，在词条 “Python 的 lambda 表达式” 中详细介绍了这一概念。

本节首先讲解理解闭包所需要的铺垫知识，最后再引入闭包的定义。

1. 嵌套定义函数

1.1 在函数内部定义函数

Python 允许嵌套定义函数，可以在函数中定义函数，例如：

def outter():
    def inner():
        print('Inside inner')

    print('Inside outter')
    inner()

outter()    

• 在第 1 行，定义函数 outter
• 在第 2 行，在函数 outter 内部，定义函数 inner
• 在第 6 行，在函数 outter 内部，调用函数 inner

函数 inner 定义在函数 outter 中，被称为函数嵌套定义。运行程序，输出结果如下:

Inside outter
Inside inner

1.2 实现信息隐藏

定义在函数内部的函数，对外是不可见的，例如：

def outter():
    def inner():
        print('inside inner')

    print('inside outter')        
    inner()

inner()    

• 在第 1 行，定义了外部函数 outter
• 在第 2 行，定义了内部函数 inner
• 在第 6 行，在函数 outter 中，调用函数 inner
• 在第 8 行，调用函数 inner

程序运行，输出如下：

Traceback (most recent call last):
  File "visible.py", line 8, in <module>
    inner()
NameError: name 'inner' is not defined

在第 4 行，试图调用定义在函数 outter 内部定义的函数 inner，程序运行时报错：name ‘inner’ is not defined，即找不到函数 inner。

因为函数 inner 是定义在函数 outter 内部的，函数 inner 对外部是不可见的，因此函数 outter 向外界隐藏了实现细节 inner，被称为信息隐藏。

1.3 实现信息隐藏的例子

实现一个复杂功能的函数时，在函数内部定义大量的辅助函数，这些辅助函数对外不可见。例如，假设要实现一个函数 complex，函数的功能非常复杂，将函数 complex 的功能分解为 3 个子功能，使用三个辅助函数 f1、f2、f3 完成对应的子功能，代码如下：

def f1():
    print('Inside f1')

def f2():
    print('Inside f2')

def f3():
    print('Inside f3')

def complex():
    print('Inside complex')
    f1()
    f2()
    f3()

• 在第 1 行，定义了辅助函数 f1
• 在第 4 行，定义了辅助函数 f2
• 在第 7 行，定义了辅助函数 f3
• 在第 10 行，定义了主函数 complex，它通过调用 f1、f2、f3 实现自己的功能

在以上的实现中，函数 f1、f2、f3 是用于实现 complex 的辅助函数，我们希望它们仅仅能够被 complex 调用，而不会被其它函数调用。如果可以将函数 f1、f2、f3 定义在函数 complex 的内部，如下所示：

def complex():
    def f1():
        print('Inside f1')
    def f2():
        print('Inside f2')
    def f3():
        print('Inside f3')

    print('Inside complex')
    f1()
    f2()
    f3()

• 在第 2 行，在函数 complex 内部定义函数 f1
• 在第 4 行，在函数 complex 内部定义函数 f2
• 在第 6 行，在函数 complex 内部定义函数 f3
• 在第 10 行到第 12 行，调用 f1、f2、f3 实现函数 complex 的功能

2. 内部函数访问外部函数的局部变量

嵌套定义函数时，内部函数可能需要访问外部函数的变量，例子代码如下：

def outter():
    local = 123

    def inner(local):
        print('Inside inner, local = %d', local)

    inner(local)

outter()    

• 在第 1 行，定义了外部函数 outter
• 在第 2 行，定义了函数 outter 的局部变量 local
• 在第 4 行，定义了内部函数 inner
  • 函数 inner 需要访问函数 outter 的局部变量 local
• 在第 7 行，将函数 outter 的局部变量 local 作为参数传递给函数 inner
  • 在第 5 行，函数 inner 就可以访问函数 outter 的局部变量 local

程序运行结果如下：

Inside inner, local = 123

在上面的例子中，将外部函数 outter 的局部变量 local 作为参数传递给内部函数 inner。Python 允许内部函数 inner 不通过参数传递直接访问外部函数 outter 的局部变量，简化了参数传递，代码如下：

def outter():
    local = 123

    def inner():
        print('Inside inner, local = %d', local)

    inner()

• 在第 1 行，定义了外部函数 outter
• 在第 2 行，定义了函数 outter 的局部变量 local
• 在第 4 行，定义了内部函数 inner
  • 函数 inner 需要访问函数 outter 的局部变量 local

• 在第 5 行，函数 inner 可以直接访问函数 outter 的局部变量 local

• 在第 7 行，不用传递参数，直接调用函数 inner()

3. 局部变量的生命周期

通常情况下，函数执行完后，函数内部的局部变量就不存在了。在嵌套定义函数的情况下，如果内部函数访问了外部函数的局部变量，外部函数执行完毕后，内部函数仍然可以访问外部函数的局部变量。示例代码如下：

def outter():
    local = 123

    def inner():
        print('Inside inner, local = ' % local)

    return inner

closure = outter()
closure()

• 在第 1 行，定义了外部函数 outter
• 在第 2 行，定义了函数 outter 的局部变量 local
• 在第 4 行，定义了内部函数 inner
  • 函数 inner 需要访问函数 outter 的局部变量 local
• 在第 7 行，将函数 inner 作为值返回
• 在第 9 行，调用函数 outter()，将返回值保存到变量 closure 中
• 在第 10 行，调用函数 closure()

运行程序，输出结果如下：

Inside inner, local = 123

注意：在第 10 行，调用函数 closure() 时，外部函数 outter 已经执行完，外部函数 outter 将内部函数 inner 返回并保存到变量 closure。调用函数 closure() 相当于调用内部函数 inner()，因此，在外部函数 outter 已经执行完的情况下，内部函数 inner 仍然可以访问外部函数的局部变量 local。

4. 闭包的概念

闭包的英文是 closure，维基百科中闭包的严谨定义如下：

在计算机科学中，闭包（英语：Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是引用了自由变量的函数。这个被引用的自由变量将和这个函数一同存在，即使已经离开了创造它的环境也不例外。—— 维基百科

在本节，以上一节具体的例子说明和理解闭包的概念，上一节的例子程序如下：

def outter():
    local = 123

    def inner():
        print('Inside inner, local = ' % local)

    return inner

closure = outter()
closure()

• 在第 2 行，局部变量 local 就是自由变量
• 在第 5 行，内部函数 inner 引用了局部变量 local (即自由变量)

因此，对照闭包的定义，外部函数定义了局部变量 local，引用了局部变量 local 的内部函数 inner 就是闭包。闭包的独特之处在于：外部函数 outter 创造了局部变量 local， 即使外部函数 outter 已经执行完，内部函数 inner 仍然可以继续访问它引用的局部变量 local。

5. 闭包的应用

5.1 概述

闭包经常用于 GUI 编程的事件响应处理函数。编程语言 Javascript 被用于浏览器的用户界面交互，使用 Javascript 编写事件响应处理函数时，闭包也是经常提及的知识点。

本小节通过编写一个简单的 Python GUI 程序，了解为什么需要使用闭包的语法特性，才方便实现功能需求。

5.2 Tk 简介

Tkinter 是 Python 的标准 GUI 库，Python 使用 Tkinter 可以快速的创建 GUI 应用程序。由于 Tkinter 是内置到 python 的安装包中，只要安装好 Python 之后就能使用 Tkinter 库。

由于 Tkinter 简单易学并且不需要安装，因此选择使用 Tk 编写应用闭包的例子程序。

5.3 例子 1：显示一个窗口

下面使用 Tk 编写一个显示窗口的程序，代码如下：

import tkinter

root = tkinter.Tk()
root.mainloop()

• 在第 1 行，引入 Tk 库，Tk 库的名称是 tkinter
• 在第 3 行，tkinter.Tk 方法会创建一个窗口 root
• 在第 4 行，root.mainloop 方法等待用户的操作

运行程序，显示输出如下：

5.4 例子 2：显示一个 button

下面使用 Tk 编写一个显示 button 的程序，代码如下：

import tkinter

root = tkinter.Tk()
button = tkinter.Button(root, text = 'Button')
button.pack()
root.mainloop()

• 在第 4 行，tkinter.Button 方法创建一个新的 Button，它有两个参数：第一个参数 root，指定在 root 窗口中创建 Button；第二个参数 text，指定新创建 Button 的标签
• 在第 5 行，button.pack 方法将 button 放置在 root 窗口中

运行程序，显示输出如下：

5.5 例子 3：为 button 增加一个事件处理函数

当 button 被点击时，希望程序得到通知，需要为 button 增加一个事件处理函数，代码如下：

import tkinter

def on_button_click():
    print('Button is clicked')

root = tkinter.Tk()
button = tkinter.Button(root, text = 'Button', command = on_button_click)
button.pack()
root.mainloop()

• 在第 3 行，定义了函数 on_button_click，当用户点击 button 时，程序得到通知，执行 on_btton_click
• 在第 4 行，函数 on_button_click 在控制台打印输出 ‘Button is clicked’
• 在第 7 行，tkinter.Button 创建一个 Button，设置 3 个参数
  • 参数 root，表示在 root 窗口中创建 button
  • 参数 text，表示 button 的标签
  • 参数 command，表示当 button 被点击时，对应的事件处理函数
• 在第 8 行，root.mainloop 等待用户的操作，当用户点击 button 时，程序会执行 button 对应的事件处理函数，即执行 on_button_click

运行程序，显示输出如下：

当用户点击 button 时，执行 on_button_click，在控制台中打印 ‘Button is clicked’，显示输出如下：

5.6 如何实现计算器

由于篇幅，本节没有实现一个完整的计算器，在这里仅仅讨论实现计算器程序的关键要点。windows 自带的计算器的界面如下所示：

• 数字按键，0、1、2、3、4、5、6、7、9
• 运算符按键，+、-、*、\、=

用户在点击某个按键时，程序得到通知：按键被点击了，但是这样的信息还不够，为了实现运算逻辑，还需要知道具体是哪一个按键被点击了。

为了区分是哪一个按键被点击了，可以为不同的按键设定不同的按键处理函数，如下所示：

import tkinter

def on_button0_click():
    print('Button 0 is clicked')

def on_button1_click():
    print('Button 1 is clicked')

def on_button2_click():
    print('Button 2 is clicked')

root = tkinter.Tk()

button0 = tkinter.Button(root, text = 'Button 0', command = on_button0_click)
button0.pack()

button1 = tkinter.Button(root, text = 'Button 1', command = on_button0_click)
button1.pack()

button2 = tkinter.Button(root, text = 'Button 2', command = on_button0_click)
button2.pack()

root.mainloop()

为了节省篇幅，这里仅仅处理了 3 个按键。显然，这样的方式是很不合理的，在一个完整的计算器程序中，存在 20 多个按键，如果对每个按键都编写一个事件处理函数，就需要编写 20 多个事件处理函数。在下面的小节中，通过使用闭包解决这个问题。

5.7 例子 4：使用闭包为多个 button 增加事件处理函数

在上面的小节中，面临的问题是：需要为每个 button 编写一个事件处理函数。本小节编写一个事件处理函数响应所有的按键点击事件，代码如下：

import tkinter

def build_button(root, i):
    def on_button_click():
        print('Button %d is clicked' % i)

    title = 'Button ' + str(i)
    button = tkinter.Button(root, text = title, command = on_button_click)
    button.pack()

root = tkinter.Tk()
for i in range(3):
    build_button(root, i)
root.mainloop()

• 在第 11 行，tkinter.Tk 创建窗口 root
• 在第 12 行，使用 for 循环调用 build_button 创建 3 个 button
• 在第 14 行，root.mainloop 等待用户操作
• 在第 3 行，定义函数 build_button 创建 1 个 button
  • 参数 root，表示在 root 窗口中创建 button
  • 参数 i，表示 button 的序号
• 在第 4 行，定义事件处理函数 on_button_click
  • build_button 是外部函数
  • on_button_click 是内部函数
  • 在第 5 行，打印外部函数 build_button 的参数 i，因此 on_button_click 是一个闭包函数
• 在第 7 行，根据 button 的序号 i 设置 button 的标签
• 在第 7 行，创建一个 button，设置标签和事件处理函数

运行程序，显示输出如下：

当用户点击不同的 button 时，都是执行 on_button_click，但在控制台中打印的字符串是不一样的，显示输出如下：

在这个例子中，外部函数 build_button 提供了参数 i 用于区分 button，内部函数 on_button_click 可以访问外部函数的参数。因此，当 button 被点击时，通过参数 i 知道是哪一个 button 被点击了，编写 1 个事件处理函数就可以处理多个 button 的点击事件，即使用闭包就很自然的解决了实现计算器程序需要面临的问题。

6. 小结

从概念上来看这一个小节还是比较晦涩的，我在文章的开头也说过了初学者可以先跳过这一小节，等后面在转过头来学习。闭包这个概念非常的重要，面试中有很多面试官喜欢问闭包相关的问题，大家一定要多看几遍，彻底掌握闭包。