任何把函數(shù)當(dāng)做一等對象的語言，它的設(shè)計(jì)者都要面對一個問題：作為一等對象的函數(shù)在某個作用域中定義，但是可能會在其他作用域中調(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
>>> 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：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，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綁定了這個值。但是在調(diào)用avg(10)時，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一定會報(bào)錯找不到定義。那么閉包是怎么做的呢？閉包是一種函數(shù)，它會保留定義時存在的自由變量的綁定，這樣調(diào)用函數(shù)時，雖然定義作用域不可用了，但是仍然能使用那些綁定。閉包會保留自由變量series的綁定，在調(diào)用avg(10)時繼續(xù)使用這個綁定，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，只存儲目前的總值和元素個數(shù)：def make_averager():
count = 0
total = 0
def averager(new_value):
count += 1
total += new_value
return total / count
return averager
運(yùn)行后會報(bào)錯：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(chuàng)建局部變量。對于數(shù)字、字符串、元組等不可變類型以及None來說，賦值會隱式創(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
可變對象添加元素不是賦值，不會隱式創(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
count = new_value
return count
return averager
count是不可變類型，賦值會隱式創(chuàng)建局部變量，報(bào)錯：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
count = new_value
return count
return averager
count是None，賦值會隱式創(chuàng)建局部變量，報(bào)錯：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，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(jīng)消失。對于不可變類型和None來說，賦值會隱式創(chuàng)建局部變量，把自由變量轉(zhuǎn)換為局部變量，這可能會導(dǎo)致程序報(bào)錯：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)樽杂勺兞浚瑢?shí)現(xiàn)閉包。
