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任何把函數(shù)當(dāng)做一等對(duì)象的語言，它的設(shè)計(jì)者都要面對(duì)一個(gè)問題：作為一等對(duì)象的函數(shù)在某個(gè)作用域中定義，但是可能會(huì)在其他作用域中調(diào)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(gè)問題，Python之父Guido Van Rossum設(shè)計(jì)了閉包，有如神來之筆，代碼美學(xué)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(gè)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(shù)體外的b為全局變量，函數(shù)體內(nèi)的b為自由變量。因?yàn)樽杂勺兞縝綁定到了全局變量，所以在函數(shù)f1()中能正確print。

如果稍微改一下，那么函數(shù)體內(nèi)的b就會(huì)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(shù)f1()后面加上b = 9報(bào)錯(cuò)：局部變量b在賦值前進(jìn)行了引用。

這不是缺陷，而是Python設(shè)計(jì)：Python不要求聲明變量，而是假定在函數(shù)定義體中賦值的變量是局部變量。

如果想讓解釋器把b當(dāng)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(gè)叫做avg的函數(shù)，它的作用是計(jì)算系列值的均值，用類實(shí)現(xiàn)：

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(shí)現(xiàn)不存在自由變量問題，因?yàn)閟elf.series是類屬性。但是函數(shù)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行函數(shù)嵌套時(shí)，問題就出現(xiàn)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(shù)make_averager()在局部作用域中定義了series變量，它的內(nèi)部函數(shù)averager()的自由變量series綁定了這個(gè)值。但是在調(diào)用avg(10)時(shí)，make_averager()函數(shù)已經(jīng)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(huì)報(bào)錯(cuò)找不到定義。

那么閉包是怎么做的呢?閉包是一種函數(shù)，它會(huì)保留定義時(shí)存在的自由變量的綁定，這樣調(diào)用函數(shù)時(shí)，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(huì)保留自由變量series的綁定，在調(diào)用avg(10)時(shí)繼續(xù)使用這個(gè)綁定，即使make_averager()函數(shù)的局部作用域已經(jīng)消失。

nonlocal

把上面示例的需求稍微優(yōu)化下，只存儲(chǔ)目前的總值和元素個(gè)數(shù)：

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

運(yùn)行后會(huì)報(bào)錯(cuò)：局部變量count在賦值前進(jìn)行了引用。因?yàn)閏ount +=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(guān)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(kuò)展到make_averager()函數(shù)內(nèi)。為了解決這個(gè)問題，Python3引入了nonlocal關(guān)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(biāo)記為自由變量，即使在函數(shù)中為變量賦值了，也仍然是自由變量。

注意，對(duì)于列表、字典等可變類型來說，添加元素不是賦值，不會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量。對(duì)于數(shù)字、字符串、元組等不可變類型以及None來說，賦值會(huì)隱式創(chuàng)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(duì)象添加元素不是賦值，不會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量。

def make_averager(): 
    # 不可變類型 
    count = 1 
 
    def averager(new_value): 
        print(count)  # 報(bào)錯(cuò) 
        count = new_value 
        return count 
 
    return averager 

count是不可變類型，賦值會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量，報(bào)錯(cuò)：局部變量count在賦值前進(jìn)行了引用。

def make_averager(): 
    # None 
    count = None 
 
    def averager(new_value): 
        print(count)  # 報(bào)錯(cuò) 
        count = new_value 
        return count 
 
    return averager 

count是None，賦值會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量，報(bào)錯(cuò)：局部變量count在賦值前進(jìn)行了引用。

小結(jié)

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(shù)嵌套時(shí)，自由變量如何處理的問題，它會(huì)保留自由變量的綁定，即使局部作用域已經(jīng)消失。對(duì)于不可變類型和None來說，賦值會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量，把自由變量轉(zhuǎn)換為局部變量，這可能會(huì)導(dǎo)致程序報(bào)錯(cuò)：局部變量在賦值前進(jìn)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(qiáng)制變?yōu)樽杂勺兞?，?shí)現(xiàn)閉包。