python-闭包和装饰器-01-闭包(closure)

闭包(closure)

闭包就是在一个函数定义的内部再定义一个函数，并且这个函数用到了外边函数的变量，那么将这个函数以及用到的一些变量称之为闭包，如：

def line(a, b):
    def cal(c):
        return a + b + c
    return cal

定义了一个line函数，在line内部又定义了一个函数cal，内部函数cal中使用到了外部函数line的变量（a，b）并且line函数返回cal函数，调用例子如下：

print('------line1---------')
line1 = line(1, 2)
print('line1指向:', line1)
print(line1(3))
print(line1(4))
print('--------line2---------')
line2 = line(2, 3)
print('line2指向:', line2)
print(line2(10))
print(line2(20))

运行结果为：

1、可以看出每次调用的line函数，都会返回一个cal方法，且每个cal方法都有一个独立的内存空间，即line1和line2指向的空间地址不一样

2、可以多次调用line1或者line2，且多次调用同一个line1或者line2时，共用了上面的a和b变量

3、line1和line2调用时相互独立，不会互相影响

为什么使用闭包

为什么要使用闭包，它和普通的函数和类又有什么区别，这里举一个例子来说明，将上面的line例子替换成一个一元一次方程方程来理解：y=kx+b，这个方程中k和b值的不同，对应在坐标中的就是不同斜率和不同于y轴相交的线，简单理解就是不同形状的直线。那么现在的需求是通过x的值不同，计算出y的值，比如，当k=1,b=1时，y = x+1，定义成函数即为

def line(x):
    return x + 1
print(line(1))
print(line(2))
print(line(3))
# 结果为
2
3
4

而上面函数中，如果我想随便换一个k和b的值，就可以改进为

def line(k, x, b):
    return k * x + b
print(line(1, 2, 1))
print(line(1, 2, 2))
print(line(1, 2, 3))
# 结果为
3
4
5

上面两个函数，都各有优缺点:

对于第一个函数:

　　优点是：对于同一种形状的线(k和b不变)，每次只需要传入x的值就可以了

　　缺点是：如果想用其他形状的线，即随意设置k和b，每次都要改函数中的代码

对于第二个函数：

　　优点是：可以随意设置k、b、x的值

　　缺点是：如果想多次求同一形状的线(k和b不变)，那么需要多次重复写相同的k和b参数，如 line(1, 2, 1)、line(1, 2, 2)、line(1, 2, 3)，重复写了参数k=1和b=2

可以发现其实他们的优缺点其实是互补的，那么能不能有一种方式可以同时具有上面两种函数的优点呢？

即既可以随意设置k和b值，且对于同一种k和b的搭配，只需设置一次k和b的值就可以保存起来，然后每次调用时只需要传入x即可。这种需求可以通过类来实现，如：

class Line(object):
    def __init__(self, k, b):
        self.k = k
        self.b = b
 
    def get_y(self, x):
        return self.k * x + self.b
 
print('--------line1--------')
line1 = Line(1, 2)
print(line1.get_y(1))
print(line1.get_y(2))
print(line1.get_y(3))
print('--------line2--------')
line2 = Line(10, 20)
print(line2.get_y(1))
print(line2.get_y(2))
print(line2.get_y(3))
 
# 结果为:
--------line1--------
3
4
5
--------line2--------
30
40
50

这样我们需要不同形状(k和b)的线的时候，就可以创建一次不同的line对象(即不需要重复设置k和b)，使用line对象获取y值时（调用get_y），也只需要传入x即可。

通过类确实可以实现需求，但是其实为了一个简单的方法而去创建一个类，有点杀鸡用宰牛刀的意思，因为每次创建Line对象都会调用很多用不到的魔法方法以及继承父类的一些东西等，这样会占用一些不必要的空间或者资源，性价比太低了，而创建函数所需占用的空间比创建类要小得多，那么我们这里就可以使用闭包来实现了。如：

def line(k, b):
    def get_y(x):
        return k * x + b
    return get_y
 
print('--------line1--------')
line1 = line(1, 2)
print(line1(1))
print(line1(2))
print(line1(3))
print('--------line2--------')
line2 = line(10, 20)
print(line2(1))
print(line2(2))
print(line2(3))
 
# 结果为:
--------line1--------
3
4
5
--------line2--------
30
40
50

可以理解为，当调用line(1, 2)时,就会创建一块内存空间,用来存储传入的参数 k=1,b=2 以及 get_y的定义代码，然后将变量名line1指向该空间地址，当调用line1(1)时,就会调用里面的get_y方法,并使用到之前传入的k和b的值。当调用新的line(10, 20)时，又会创建一块新的内存空间存储k=10,b=20 以及 get_y的定义代码。所以每次调用闭包的外层方法时，就像是面向对象中创建了一个类的实例，并开辟了一块独立的内存空间，里面存着实例属性（外层函数的参数，如k和b）和实例方法(内层函数)。

通过nonlocal修改外部函数的局部变量

闭包中，内部函数能够直接使用外部函数的变量和参数，但是不能直接修改，如下面例子：

def line(a):
    num = 0
    print('初始,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
    print('初始,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
 
    def get_y():
        # nonlocal num, a
        num = 1
        a = 200
        print()
        print('get_y内,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
        print('get_y内,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
    get_y()
    print()
    print('外,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
    print('外,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
    return get_y
 
line1 = line(100)

运行结果为：

初始,num:0, id:140724620236416
初始,a:100, id:140724620239616
 
get_y内,num:1, id:140724620236448
get_y内,a:200, id:140724620242816
 
外,num:0, id:140724620236416
外,a:100, id:140724620239616

1、初始局部变量指向的是....6416和....9616对应的地址，该地址上存着0和100两个值

2、在内部函数get_y中企图修改上面的局部变量对应的值，即创建了两个新地址....6448和....2816，存着1和200，想让上面的局部变量不再指向原来的地址，而是指向新创建的地址

3、但结果发现原局部变量还是指向的原地址，即变量对应的值不变，说明并没有改变原来的值

想要修改外部局部变量时，需要在修改前通过nonlocal声明，如：

def line(a):
    num = 0
    print('初始,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
    print('初始,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
 
    def get_y():
        nonlocal num, a
        num = 1
        a = 200
        print()
        print('get_y内,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
        print('get_y内,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
    get_y()
    print()
    print('外,num:%d, id:%d' % (num, id(num)))
    print('外,a:%d, id:%d' % (a, id(a)))
    return get_y
 
line1 = line(100)

运行结果为：

初始,num:0, id:140724620236416
初始,a:100, id:140724620239616
 
get_y内,num:1, id:140724620236448
get_y内,a:200, id:140724620242816
 
外,num:1, id:140724620236448
外,a:200, id:140724620242816

发现最后外部的局部变量成功被修改了，即外部的局部变量num和a的指向变成了新的地址....6448和...2816