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本文轉載自微信公眾號「dongfanger」，作者dongfanger。轉載本文請聯系dongfanger公眾號。

任何把函數當做一等對象的語言，它的設計者都要面對一個問題：作為一等對象的函數在某個作用域中定義，但是可能會在其他作用域中調用，如何處理自由變量?

自由變量(free variable)，未在局部作用域中綁定的變量。

為了解決這個問題，Python之父Guido Van Rossum設計了閉包，有如神來之筆，代碼美學盡顯。在討論閉包之前，有必要先了解Python中的變量作用域。

變量作用域

先看一個全局變量和自由變量的示例：

>>> b = 6 
>>> def f1(a): 
...     print(a) 
...     print(b) 
...      
>>> f1(3) 
3 
6 

函數體外的b為全局變量，函數體內的b為自由變量。因為自由變量b綁定到了全局變量，所以在函數f1()中能正確print。

如果稍微改一下，那么函數體內的b就會從自由變量變成局部變量：

>>> b = 6 
def f1(a): 
...     print(a) 
...     print(b) 
...     b = 9 
...      
>>> f1(3) 
3 
Traceback (most recent call last): 
  File "<input>", line 1, in <module> 
  File "<input>", line 3, in f1 
UnboundLocalError: local variable 'b' referenced before assignment 

在函數f1()后面加上b = 9報錯：局部變量b在賦值前進行了引用。

這不是缺陷，而是Python設計：Python不要求聲明變量，而是假定在函數定義體中賦值的變量是局部變量。

如果想讓解釋器把b當做全局變量，那么需要使用global聲明：

>>> b = 6 
>>> def f1(a): 
...     global b 
...     print(a) 
...     print(b) 
...     b = 9 
...      
>>> f1(3) 
3 
6 

閉包

回到文章開頭的自由變量問題，假如有個叫做avg的函數，它的作用是計算系列值的均值，用類實現：

class Averager(): 
     
    def __init__(self): 
        self.series = [] 
         
    def __call__(self, new_value): 
        self.series.append(new_value) 
        total = sum(self.series) 
        return totle / len(self.series) 
 
avg = Averager() 
avg(10)  # 10.0 
avg(11)  # 10.5 
avg(12)  # 11.0 

類實現不存在自由變量問題，因為self.series是類屬性。但是函數實現，進行函數嵌套時，問題就出現了：

def make_averager(): 
    series = [] 
     
    def averager(new_value): 
        # series是自由變量 
        series.append(new_value) 
        total = sum(series) 
        return totle / len(series) 
     
    return averager 
 
avg = make_averager() 
avg(10)  # 10.0 
avg(11)  # 10.5 
avg(12)  # 11.0 

函數make_averager()在局部作用域中定義了series變量，它的內部函數averager()的自由變量series綁定了這個值。但是在調用avg(10)時，make_averager()函數已經return返回了，它的局部作用域也消失了。沒有閉包的話，自由變量series一定會報錯找不到定義。

那么閉包是怎么做的呢?閉包是一種函數，它會保留定義時存在的自由變量的綁定，這樣調用函數時，雖然定義作用域不可用了，但是仍然能使用那些綁定。

如下圖所示：

閉包會保留自由變量series的綁定，在調用avg(10)時繼續使用這個綁定，即使make_averager()函數的局部作用域已經消失。

nonlocal

把上面示例的需求稍微優化下，只存儲目前的總值和元素個數：

def make_averager(): 
    count = 0 
    total = 0 
     
    def averager(new_value): 
        count += 1 
        total += new_value 
        return total / count 
         
    return averager 

運行后會報錯：局部變量count在賦值前進行了引用。因為count +=1等同于count = count + 1，存在賦值，count就變成局部變量了。total也是如此。

這里如果把count和total通過global關鍵字聲明為全局變量，顯然是不合適的，它們作用域最多只擴展到make_averager()函數內。為了解決這個問題，Python3引入了nonlocal關鍵字聲明：

def make_averager(): 
    count = 0 
    total = 0 
     
    def averager(new_value): 
        nonlocal count, total 
        count += 1 
        total += new_value 
        return total / count 
         
    return averager 

nonlocal的作用是把變量標記為自由變量，即使在函數中為變量賦值了，也仍然是自由變量。

注意，對于列表、字典等可變類型來說，添加元素不是賦值，不會隱式創建局部變量。對于數字、字符串、元組等不可變類型以及None來說，賦值會隱式創建局部變量。示例：

def make_averager(): 
    # 可變類型 
    count = {} 
 
    def averager(new_value): 
        print(count)  # 成功 
        count[new_value] = new_value 
        return count 
 
    return averager 

可變對象添加元素不是賦值，不會隱式創建局部變量。

def make_averager(): 
    # 不可變類型 
    count = 1 
 
    def averager(new_value): 
        print(count)  # 報錯 
        count = new_value 
        return count 
 
    return averager 

count是不可變類型，賦值會隱式創建局部變量，報錯：局部變量count在賦值前進行了引用。

def make_averager(): 
    # None 
    count = None 
 
    def averager(new_value): 
        print(count)  # 報錯 
        count = new_value 
        return count 
 
    return averager 

count是None，賦值會隱式創建局部變量，報錯：局部變量count在賦值前進行了引用。

小結

本文先介紹了全局變量、自由變量、局部變量的概念，這是理解閉包的前提。閉包就是用來解決函數嵌套時，自由變量如何處理的問題，它會保留自由變量的綁定，即使局部作用域已經消失。對于不可變類型和None來說，賦值會隱式創建局部變量，把自由變量轉換為局部變量，這可能會導致程序報錯：局部變量在賦值前進行了引用。除了使用global聲明為全局變量外，還可以使用nonlocal聲明把局部變量強制變為自由變量，實現閉包。