python 闭包

2025 年 04 月 21 日

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Python

闭包（Closure）是编程中一个重要的概念，尤其在函数式编程中广泛应用。它的核心是 函数与其引用环境的结合，使得函数可以“记住”并访问其定义时的上下文环境，即使这个环境在函数被调用时已经不存在了。

什么是闭包？

闭包是一个 函数对象，它保留了对其定义时的 词法作用域（lexical scope） 中变量的引用。简单来说：

内部函数：闭包通常是嵌套在另一个函数内部的函数。
引用外部变量：内部函数引用了外部函数（或父函数）的变量。
保持变量存活：即使外部函数执行完毕，其变量依然被内部函数保留。

为什么叫“闭包”？

“闭”：指函数“封闭”了其定义时的环境（变量），将这些变量“包裹”在自身的作用域内。
“包”：指函数和其引用的环境（变量）共同组成了一个“包”。
英文原意：术语来自数学中的“闭包”（closure），表示一个集合对某种操作的封闭性。在编程中，闭包确保函数能够访问其定义时的环境变量，即使环境已销毁。

闭包的典型示例

def outer():
    x = 10  # 外部函数的局部变量
    def inner():
        print(x)  # 内部函数引用了外部变量 x
    return inner  # 返回内部函数（闭包）

# 调用 outer()，返回 inner 函数
closure_func = outer()
closure_func()  # 输出 10，即使 outer() 已经执行完毕，x 仍然被保留

关键点：

inner 是闭包，因为它“记住”了 outer 的局部变量 x。
即使 outer() 执行结束，x 的生命周期被延长，直到 closure_func 不再被使用。

闭包的本质

闭包的实现依赖于 词法作用域（Lexical Scoping）：

Python 解释器会检查内部函数是否引用了外部变量。
如果引用了，会将这些变量存储在 __closure__ 属性中（一个包含变量的元组）。

例如，查看闭包的变量：

print(closure_func.__closure__)          # 输出类似 <cell at 0x...: int object at 0x...>
print(closure_func.__closure__[0].cell_contents)  # 输出 10

闭包的用途

封装私有数据：避免使用全局变量，隐藏实现细节。

def counter():
    count = 0
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    return increment

c = counter()
print(c())  # 1
print(c())  # 2

延迟计算：在需要时再执行某些逻辑。

装饰器（Decorators）：Python 装饰器的核心机制就是闭包。

def logger(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"Calling {func.__name__}")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

闭包 vs 类

闭包可以替代简单的类，用于保存状态：

类的实现：

class Counter:
    def __init__(self):
        self.count = 0
    def increment(self):
        self.count += 1
        return self.count

闭包的实现（更简洁）：

def counter():
    count = 0
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    return increment

注意事项

变量绑定时机：闭包中引用的外部变量是 延迟绑定 的，可能产生意外结果（尤其在循环中）。

# 错误示例：循环中创建闭包
funcs = []
for i in range(3):
    def func():
        print(i)
    funcs.append(func)
# 所有函数都会输出 2，因为 i 最终是 2

修复方法：立即绑定变量。

for i in range(3):
    def func(j=i):  # 使用默认参数立即绑定当前值
        print(j)
    funcs.append(func)

内存泄漏：闭包可能导致外部变量无法被回收，需谨慎使用。

总结

闭包是函数和其引用环境的结合体，用于保留上下文变量。
名称源于其“封闭并包裹”外部环境变量的特性。
广泛应用于状态保存、装饰器、回调函数等场景。