引言

在 Python 編程語(yǔ)言中势告，閉包通常指的是一個(gè)嵌套函數(shù)啦逆，即在一個(gè)函數(shù)內(nèi)部定義的另一個(gè)函數(shù)阎毅。這個(gè)嵌套的函數(shù)能夠訪問(wèn)并保留其外部函數(shù)作用域中的變量塔橡。這種結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了一個(gè)閉包佳镜。

閉包在函數(shù)式編程語(yǔ)言中非常普遍裆馒。在 Python 中姊氓，閉包特別有用，因?yàn)樗沟媚憧梢詣?chuàng)建基于函數(shù)的裝飾器喷好，這是一種非常強(qiáng)大的功能翔横。

通過(guò)本教程，你將：

• 了解閉包的概念以及它們?cè)?Python 中的運(yùn)作方式
• 掌握閉包的典型應(yīng)用場(chǎng)景
• 探索閉包的替代方法 為了更好地理解本教程梗搅，你需要對(duì) Python 的一些基本概念有所了解禾唁，比如函數(shù)、嵌套函數(shù)些膨、裝飾器蟀俊、類(lèi)和可調(diào)用對(duì)象。

用閉包編寫(xiě)裝飾器

裝飾器是 Python 中一個(gè)非常強(qiáng)大的功能订雾，它允許你動(dòng)態(tài)地修改函數(shù)的行為肢预。在 Python 中，有兩種類(lèi)型的裝飾器：

• 基于函數(shù)的裝飾器
• 基于類(lèi)的裝飾器

基于函數(shù)的裝飾器是一個(gè)函數(shù)洼哎，它接受一個(gè)函數(shù)對(duì)象作為參數(shù)烫映，并返回另一個(gè)增加了額外功能的函數(shù)對(duì)象。這個(gè)返回的函數(shù)對(duì)象也是一個(gè)閉包噩峦。因此锭沟，在創(chuàng)建基于函數(shù)的裝飾器時(shí)，你會(huì)用到閉包识补。

如你所知族淮，裝飾器可以在不修改函數(shù)內(nèi)部代碼的情況下改變函數(shù)的行為。實(shí)際上，基于函數(shù)的裝飾器就是閉包祝辣。它們的特點(diǎn)是主要用來(lái)修改你傳遞給裝飾器函數(shù)的函數(shù)行為贴妻。

這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的裝飾器示例，它在原有函數(shù)功能的基礎(chǔ)上增加了額外的消息輸出：

>>> def decorator(function):
...     def closure():
...         print("Doing something before calling the function.")
...         function()
...         print("Doing something after calling the function.")
...     return closure
...

在這個(gè)示例中蝙斜，外層函數(shù)充當(dāng)裝飾器的角色名惩。這個(gè)函數(shù)返回一個(gè)閉包對(duì)象，它通過(guò)增加額外的功能來(lái)改變被裝飾的輸入函數(shù)對(duì)象的原有行為孕荠。即便是在 decorator() 函數(shù)執(zhí)行完畢后娩鹉，閉包仍然能夠?qū)斎牒瘮?shù)產(chǎn)生影響。

以下是你如何利用裝飾器語(yǔ)法來(lái)動(dòng)態(tài)地改變一個(gè)普通 Python 函數(shù)的行為：

>>> @decorator
... def greet():
...     print("Hi, Pythonista!")
...

>>> greet()
Doing something before calling the function.
Hi, Pythonista!
Doing something after calling the function.

在這個(gè)示例中稚伍，你通過(guò) @decorator 來(lái)調(diào)整 greet() 函數(shù)的行為弯予。請(qǐng)注意，現(xiàn)在調(diào)用 greet() 時(shí)个曙，你不僅得到了它的基本功能熙涤，還額外獲得了裝飾器提供的功能。

利用閉包實(shí)現(xiàn)記憶化

緩存能夠通過(guò)減少不必要的重復(fù)計(jì)算來(lái)提升算法的效率困檩。記憶化是一種防止函數(shù)對(duì)相同輸入多次執(zhí)行的常用緩存技術(shù)。

記憶化的工作原理是將特定輸入?yún)?shù)集的結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)存中那槽，之后在需要時(shí)直接引用這些結(jié)果悼沿。你可以利用閉包來(lái)實(shí)現(xiàn)記憶化。

在下面的示例中骚灸，你使用了一個(gè)裝飾器——它本身也是一個(gè)閉包——來(lái)緩存一個(gè)假設(shè)的糟趾、計(jì)算成本高昂的函數(shù)的結(jié)果值：

>>> def memoize(function):
...     cache = {}
...     def closure(number):
...         if number not in cache:
...             cache[number] = function(number)
...         return cache[number]
...     return closure
...

在這個(gè)例子中，memoize() 函數(shù)接收一個(gè)函數(shù)對(duì)象作為參數(shù)甚牲，并返回一個(gè)新的閉包對(duì)象义郑。這個(gè)內(nèi)部函數(shù)僅對(duì)尚未處理的數(shù)字執(zhí)行輸入函數(shù)。已處理的數(shù)字及其輸入函數(shù)的結(jié)果被存儲(chǔ)在 cache 字典中丈钙，以供后續(xù)使用非驮。

現(xiàn)在，假設(shè)你有一個(gè)如下的示例函數(shù)雏赦，它模擬了一個(gè)計(jì)算成本較高的操作：

>>> from time import sleep

>>> def slow_operation(number):
...     sleep(0.5)
...

該函數(shù)將代碼的執(zhí)行僅保留半秒劫笙，以模仿昂貴的操作。為此星岗，您可以使用時(shí)間模塊中的 sleep() 函數(shù)填大。
您可以使用以下代碼測(cè)量函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間：

>>> from timeit import timeit

>>> timeit(
...     "[slow_operation(number) for number in [2, 3, 4, 2, 3, 4]]",
...     globals=globals(),
...     number=1,
... )
3.02610950000053

在這個(gè)代碼片段中，你利用了 timeit 模塊的 timeit() 函數(shù)來(lái)測(cè)量執(zhí)行 slow_operation() 函數(shù)時(shí)俏橘，使用一系列值作為輸入的耗時(shí)允华。處理六個(gè)輸入值時(shí)，代碼耗時(shí)略超過(guò)三秒。你可以通過(guò)跳過(guò)重復(fù)的輸入值靴寂，并使用記憶化技術(shù)來(lái)提高這個(gè)計(jì)算過(guò)程的效率磷蜀。

接下來(lái)，按照下面的例子使用 @memoize 裝飾器來(lái)裝飾 slow_operation() 函數(shù)榨汤。然后蠕搜，執(zhí)行計(jì)時(shí)代碼：

>>> @memoize
... def slow_operation(number):
...     sleep(0.5)
...

>>> timeit(
...     "[slow_operation(number) for number in [2, 3, 4, 2, 3, 4]]",
...     globals=globals(),
...     number=1,
... )
1.5151869590008573

現(xiàn)在，由于采用了記憶化技術(shù)收壕，相同代碼的執(zhí)行時(shí)間縮短了一半妓灌。這是因?yàn)?slow_operation() 函數(shù)不會(huì)對(duì)重復(fù)的輸入值再次執(zhí)行。

利用閉包實(shí)現(xiàn)封裝

在面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）中蜜宪，類(lèi)提供了一種將數(shù)據(jù)和行為整合到單個(gè)實(shí)體中的機(jī)制虫埂。OOP 中的一個(gè)核心需求是數(shù)據(jù)封裝，這一原則建議保護(hù)對(duì)象的數(shù)據(jù)不受外部干擾圃验，并阻止直接訪問(wèn)掉伏。

在 Python 中，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)封裝可能比較困難澳窑，因?yàn)?Python 中并沒(méi)有私有和公共屬性的區(qū)分斧散。相反，Python 通過(guò)命名約定來(lái)表明某個(gè)類(lèi)成員是公開(kāi)的還是非公開(kāi)的摊聋。

你可以利用 Python 閉包來(lái)實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的數(shù)據(jù)封裝鸡捐。閉包能夠?yàn)閿?shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)私有的作用域，阻止用戶(hù)直接訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)麻裁，從而有助于保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并防止意外修改箍镜。

例如，假設(shè)你有一個(gè)如下的 Stack 類(lèi)：

class Stack:
    def __init__(self):
        self._items = []

    def push(self, item):
        self._items.append(item)

    def pop(self):
        return self._items.pop()

該 Stack 類(lèi)將其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在名為 ._items 的列表對(duì)象中煎源，并實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的堆棧操作色迂，例如入棧和出棧。
以下是如何使用此類(lèi)：

>>> from stack_v1 import Stack

>>> stack = Stack()
>>> stack.push(1)
>>> stack.push(2)
>>> stack.push(3)

>>> stack.pop()
3

>>> stack._items
[1, 2]

你的類(lèi)的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了手销。但是歇僧，盡管 _items 屬性被設(shè)計(jì)為非公開(kāi)的，你依然可以通過(guò)點(diǎn)表示法來(lái)訪問(wèn)它的值锋拖，就像訪問(wèn)普通屬性一樣馏慨。這種做法使得數(shù)據(jù)封裝變得困難，無(wú)法有效保護(hù)數(shù)據(jù)免受直接訪問(wèn)姑隅。

再次強(qiáng)調(diào)写隶，閉包提供了一種實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格數(shù)據(jù)封裝的方法。請(qǐng)看以下代碼示例：

def Stack():
    _items = []

    def push(item):
        _items.append(item)

    def pop():
        return _items.pop()

    def closure():
        pass

    closure.push = push
    closure.pop = pop
    return closure

在這個(gè)示例中讲仰，你通過(guò)編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)閉包對(duì)象慕趴，而不是定義一個(gè)類(lèi)。在這個(gè)函數(shù)內(nèi)部，你定義了一個(gè)局部變量 _items冕房，它將是你閉包對(duì)象的一部分躏啰。你將使用這個(gè)變量來(lái)保存棧的數(shù)據(jù)。接著耙册，你定義了兩個(gè)內(nèi)部函數(shù)來(lái)執(zhí)行棧的操作给僵。

closure() 內(nèi)部函數(shù)作為閉包的載體。在這個(gè)函數(shù)的基礎(chǔ)上详拙，你添加了 push() 和 pop() 函數(shù)帝际。最終，你返回了最終的閉包對(duì)象饶辙。

你可以像使用 Stack 類(lèi)一樣使用 Stack() 函數(shù)蹲诀。一個(gè)重要的不同點(diǎn)是，現(xiàn)在你無(wú)法訪問(wèn) _items 屬性：

>>> from stack_v2 import Stack

>>> stack = Stack()
>>> stack.push(1)
>>> stack.push(2)
>>> stack.push(3)

>>> stack.pop()
3

>>> stack._items
Traceback (most recent call last):
    ...
AttributeError: 'function' object has no attribute '_items'

Stack() 函數(shù)使你能夠創(chuàng)建閉包弃揽，這些閉包的功能類(lèi)似于 Stack 類(lèi)的實(shí)例脯爪。但是，你無(wú)法直接訪問(wèn) _items 屬性矿微，這增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的封裝性痕慢。

如果你非常講究，可以使用一種高級(jí)技巧來(lái)訪問(wèn) _items 屬性的內(nèi)容：

>>> stack.push.__closure__[0].cell_contents
[1, 2]

.__closure__ 屬性會(huì)返回一個(gè)元組涌矢，其中包含了閉包中變量綁定的單元格守屉。每個(gè)單元格對(duì)象都有一個(gè)名為 cell_contents 的屬性，你可以通過(guò)它來(lái)獲取單元格中的值蒿辙。

即便有這種技巧可以訪問(wèn)閉包中的變量，但在 Python 代碼中通常不會(huì)使用它滨巴。畢竟思灌，如果你的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)封裝，為什么要去破壞它呢恭取？

探索閉包的替代方案

到目前為止泰偿，你已經(jīng)了解到 Python 閉包可以幫助解決一些問(wèn)題。然而蜈垮，理解閉包的內(nèi)部工作原理可能比較困難耗跛，因此使用其他工具可能會(huì)讓你的代碼更容易理解。

你可以用一個(gè)實(shí)現(xiàn)了 .__call__() 特殊方法的類(lèi)來(lái)替代閉包攒发，這樣的類(lèi)可以創(chuàng)建出可調(diào)用的實(shí)例调塌。所謂可調(diào)用實(shí)例，就是你可以像調(diào)用函數(shù)一樣去調(diào)用的對(duì)象惠猿。

以 make_root_calculator() 工廠函數(shù)為例：

>>> def make_root_calculator(root_degree, precision=2):
...     def root_calculator(number):
...         return round(pow(number, 1 / root_degree), precision)
...     return root_calculator
...

>>> square_root = make_root_calculator(2, 4)
>>> square_root(42)
6.4807

>>> cubic_root = make_root_calculator(3)
>>> cubic_root(42)
3.48

該函數(shù)返回在其擴(kuò)展范圍內(nèi)保留 root_ Degree 和 precision 參數(shù)的閉包羔砾。您可以用以下類(lèi)替換該工廠函數(shù)：

class RootCalculator:
    def __init__(self, root_degree, precision=2):
        self.root_degree = root_degree
        self.precision = precision

    def __call__(self, number):
        return round(pow(number, 1 / self.root_degree), self.precision)

這個(gè)類(lèi)接收與 make_root_calculator() 相同的兩個(gè)參數(shù)，并將它們?cè)O(shè)置為實(shí)例屬性。

通過(guò)實(shí)現(xiàn) .__call__() 方法姜凄，你將你的類(lèi)實(shí)例轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)用的對(duì)象政溃，這意味著你可以像調(diào)用普通函數(shù)一樣調(diào)用這些實(shí)例。以下展示了如何利用這個(gè)類(lèi)來(lái)創(chuàng)建類(lèi)似于根計(jì)算函數(shù)的對(duì)象：

>>> from roots import RootCalculator

>>> square_root = RootCalculator(2, 4)
>>> square_root(42)
6.4807

>>> cubic_root = RootCalculator(3)
>>> cubic_root(42)
3.48

>>> cubic_root.root_degree
3

如你所看到的态秧，RootCalculator 類(lèi)的功能與 make_root_calculator() 函數(shù)大致相同董虱。此外，你現(xiàn)在還能夠訪問(wèn)如 root_degree 這樣的配置參數(shù)申鱼。

總結(jié)

現(xiàn)在你已經(jīng)了解到愤诱，閉包通常是在 Python 中定義在另一個(gè)函數(shù)內(nèi)部的函數(shù)對(duì)象。閉包會(huì)捕獲它們封閉作用域內(nèi)定義的對(duì)象润讥，并將這些對(duì)象與內(nèi)部函數(shù)對(duì)象結(jié)合起來(lái)转锈，形成一個(gè)具有擴(kuò)展作用域的可調(diào)用對(duì)象。

你可以在多種情況下使用閉包楚殿，尤其是當(dāng)你需要在連續(xù)函數(shù)調(diào)用間保持狀態(tài)或編寫(xiě)裝飾器時(shí)撮慨。因此，掌握如何使用閉包對(duì) Python 開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)寶貴的技能脆粥。

在本教程中砌溺，你學(xué)習(xí)了：

• 閉包是什么以及它們?cè)?Python 中的工作原理
• 實(shí)際中何時(shí)可以運(yùn)用閉包
• 可調(diào)用實(shí)例如何替代閉包 掌握了這些知識(shí)后，你可以開(kāi)始在你的代碼中創(chuàng)建和使用 Python 閉包变隔，特別是如果你對(duì)函數(shù)式編程工具感興趣的話规伐。

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