聊聊 Python Closure

10 min readDec 14, 2018

今天來聊聊 Python 的 function closure。

對於初學者來說，closure 可能是個比較難懂的概念。來看看 wiki 上對於 closure 的說法:

a closure (also lexical closure or function closure) is a technique for implementing lexically scoped name binding in a language with first-class functions

嗯…應該有看沒有懂吧？

其實文中所提的 binding 其實白話的來說，就是 variable 在一段程式中是如何被決定它的值會是多少 (lookup)。

而 lexical binding ，根據 EmacsWiki 上的說明，就是每個 scope (function, class, …etc) 會有各自的一張 variable lookup table 。

LEGB

根據 Python.org 的 tutorial 中的說明，當一個變數被使用時，會遵循 LEGB 的規則，也就是 Local、Enclosing、Global 與 Builtins

讓我以下面這段程式為例吧:

glob = 3
def func(x):
    y = x + glob
    def inner():
        return y + 1
    return inner, abs

Local，顧名思義，就是在 local variables 裡查找。以上面的例子來說， y 就是 func的 local variable ，因為 y 是在 func 裡才被定義的。

Global，也就是 global variable ，在上面的例子裡， func 裡用到的 glob 就會是定義在 func 外面的 glob 。

Enclosing，也就是 enclosing scope (別急，等等會解釋)

Builtins，也就是從 builtins 模組裡去找，上面的例子裡就是最後用到的 abs 。

當以上都找不到這個你要的變數時，就會引發 NameError 。

Function Scope

上面的 LGEB 有提到 enclosing scope。在 Python 裡創造一個 scope 的最簡單的方式是 function 。順道一提，在 Python 裡 for 是不會創造一個 scope 的喔！譬如你可以試試下面這串程式碼:

for i in range(10):
    pass
print(i)
# 應該會看到 9

p.s 有機會再來聊聊 Python 的 lazy binding 好了，有機會的話….？

言歸正傳。也就是說，在 Python 中當你定義一個 function 時，你就創造了一個 scope ，這個 scope 會影響到你這個 function 裡所有 local 與 non-local 變數會如何被參照。

local 變數我想大家應該不陌生，但這 non-local 又是啥鬼？

這主要是因應 nested scope 而衍生的定義。由於在 Python 裡，所有東西都是 object ，而 object 是 first-class citizen (定義看這邊)，所以 function 也是 first-class citizen 。具體來說，由於這樣的設計，你可以在 function 裡定義 function 並回傳 function 。又因為每定義一個 function 就會產生一個 scope ，所以當你在 function 裡又定義 function 時，一個 nested scope 就會被產生 (不負責任白話翻譯: 包在 scope 裡的 scope)

上述 Python.org 的 tutorial 裡就有提到，當走到 LEGB 的 E 時，Python 會從最近的 enclosing scope 向外找起，那這些 enclosing scopes 裡的所有變數，就是所謂的 non-local variable。

舉例說明好了

def outer(a):
    b = a
    def inner():
        c = 3
        def inner_inner(b):
            r = b+c
            return b+c
        return inner_inner
    return innerfoo = outer(10)
bar = foo()
bar(1) # 4

對 outer 來說， b 是它的 local variable；對 inner 來說， c 是它的 local variable，另一方面雖然沒用到，但是 b 是它的 non-local variable (因為離它最近的 scope 是 outer 所創造出來的 scope，而 b 是在這個 scope 裡的)；對 inner_inner 來說， r 是它的 local variable ，值被指定為 b+c ，而這時的 b 並不是在 outer 的 scope 裡被創造的 b ，而是經由參數傳遞進來的，所以也是 local variable 。反觀 c ，則是 inner 的 scope 裡的 c ，對 inner_inner 來說，是屬於 non-local variable。

Under the Hood: closure

在科技裡，我總是相信不存在魔法。所以到底 Python 的開發者是如何實現 function closure 的？

老實說我 C 很爛，所以我找不出來 CPython 是怎麼實作 closure 的，但至少，我可以從 Python 官方的 language reference 找答案。

其實也不是什麼稀奇的事，就是 __closure__ 這個屬性 (attribute) 。根據 Python 的 Data Model 的定義， __closure__ 會是一個唯讀屬性；資料型態是 tuple ，所以是 immutable 的。

那知道這個能幹嘛？又是 read-only 又是 immutable ，好像也不知道能對它做什麼有 (ㄒㄧㄝˊ) 趣 (ㄜˋ) 的事。

說實在的，我也不知道能幹嘛，但 language reference 裡的一句話引起了我的注意:

None or a tuple of cells that contain bindings for the function’s free variables. See below for information on the cell_contents attribute.

那至少，我們可以用 __closure__ 檢視我們對於 Python closure 的理解吧？動手試試吧！

有 non-local variable 就會有 __closure__ ?

錯！要有用到才會形成 __closure__ ，否則就是 None 。

def foo():
    a = 3
    def bar():
        print("bar")
    return bar
bar = foo()
bar.__closure__ is None
# >>> True

這個例子有趣的地方是，你可以發現當一個 function 的內容並沒有用到任何 free variable 時，這時 __closure__ 會是 None 。以上面的例子來看，雖然對 bar 來說，有個 a 這個 non-local variable ，但由於 bar 沒有用到它，也因此沒有任何 free variable，所以這時 bar.__closure__ 也就還是 None 。

2. 沒有 free variable 就不會有 __closure__ ?

錯！如果 inner scope 有用到 free variable ，就會被包含到 outer scope 裡。

def foo():
    a = 3
    def bar():
        def hell():
            return a
        return hell
    return bar
bar = foo()
bar.__closure__ is None
# False
bar.__closure__
# (<cell at 0x109d54408: int object at 0x10787eaf0>,)
bar().__closure__ == bar.__closure__
# True 
bar.__closure__[0].cell_contents
# 3

在這個例子裡，雖然 bar 沒有用到任何 free variable ，但是 hell 透過 nested scope 取得了 foo 裡的 a ，間接影響了 bar.__closure__ 。

3. Bonus Question

以下程式碼有錯誤嗎?

def foo():
    def bar():
        return bar # Error?
    return bar
bar = foo() # Error?

會有 error 嗎？

如果沒有的話，想想為什麼吧 : ) (Hint: LEGB)

學 closure 要幹嘛?

如果你的背景是 JavaScript 來的，我想這個問題應該是在明顯不過，當然非常實用！舉例來說，在 JavaScript 裡不乏看到這樣的程式碼:

(function(msg){
  var x = 3;
  function inner(){
      // do things with x and msg
  }
  return inner;
})('my awesome string');

也就是利用匿名函數的 scope 進行 variable 的隔離 (例如上面的 x)。

很不幸的，Python 的 lambda 只能有一句 statement ，很難做到等價的 JavaScript code ，只能用 def (但這樣就不匿名了 Q___Q)。

但除此之外，常見的就會是可帶參數的 decorator 實作。假設你現在必須寫個 function 的 decorator ，他會讓函數在回傳 None 時，改回傳另一個你指定的值，那簡單的實作可能會長這樣:

def return_default(value):
    def deco(func):
        def wrapped(*args, **kwargs):
            ret = func(*args, **kwargs)
            if ret is None:
                ret = value
            return ret
        return wrapped
    return deco

接者你可以這樣使用 return_default :

@return_default(10)
def at_least_10(x):
    if x >= 10:
        return x@return_default("python")
def greeting(msg):
    return msgx = at_least_10(3) # 10
msg = greeting(None) # "python"

簡單的說， return_default 這個 decorator 利用了 closure ，在自己的 scope 裡定義了一個 inner scope 把 value 放在裡面的 deco 的 closure 裡，才能做到這種夾帶參數的 decorator 。

如果我們用剛剛學過的 __closure__ 檢視，就能發現:

return_default(10).__closure__
# (<cell at 0x109d54528: int object at 0x10787ebd0>,)
return_default(10).__closure__[0].cell_contents
# 10
return_default("hello").__closure__[0].cell_contents
# 'hello'

如果這樣還說服不了你，那讓我用幾個有名的 open source project 的 code 當例子吧:

attrs 的 @attr.s
PySpark 的 @since
族繁不及備載 XD

好啦，Python 的 function closure 就簡單介紹到這裡啦。

Happy Python Programming!

聊聊 Python Closure

LEGB

Function Scope

Under the Hood: closure

學 closure 要幹嘛?

References

Written by Dboy Liao

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LEGB

Function Scope

Under the Hood: __closure__

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Under the Hood: closure