深入理解闭包:原理、应用与最佳实践

1、 什么是闭包?

如果一个函数内部定义了另一个函数,并且内部函数引用了外部函数的变量,那么内部函数就形成了一个闭包。

def outer_function(x):
    # 外部函数接受一个参数 x 是自由变量
    # seed 也是一个自由变量
    seed = 10

    def inner_function(y):
        # 内部函数接受另一个参数 y
        return x + y + seed

    return inner_function


# 创建闭包函数,传入参数 10,closure就是一个闭包
closure = outer_function(10)

# 使用闭包函数计算 5 + 10 + 10
result = closure(5)
print(result)  # 输出 25

2、自由变量

https://docs.python.org/zh-cn/3.7/reference/executionmodel.html#index-6
局部变量,如果名称绑定在一个代码块中,则为该代码块的局部变量。
全局变量,如果名称绑定在模块层级,则为全局变量。
自由变量,如果变量在一个代码块中被使用但不是在其中定义,则为 自由变量。

3、闭包的特点

1、 闭包可以**捕获(即使外部函数已经执行完毕,这些变量依然可以被内部函数访问和操作)外部变量,**并且保持外部变量的状态,使其在多次调用中保持不变。
2、闭包允许函数返回一个函数,而不仅仅是一个值。
3、闭包与闭包之间的状态是隔离的

def average():
    data = []  # 使用列表来存储内部状态

    def add_number(number):
        data.append(number)  # 将新数字添加到列表中
        total = sum(data)  # 计算列表中所有数字的总和
        count = len(data)  # 获取列表中数字的数量
        return total / count if count > 0 else 0  # 计算平均数

    return add_number


# 创建累计平均数的闭包
avg = average()

# 不断添加新的数字并计算平均数
# data变量是average函数的局部变量
# 但是 当调用avg(10)时,average函数已经执行完了,所以它的作用域已经不存在了
print(avg(10))  # 平均数: 10.0
print(avg(20))  # 平均数: 15.0
print(avg(30))  # 平均数: 20.0
print("avg --> ", avg(40))  # 平均数: 25.0

# 闭包和闭包之间的状态是隔离的
avg1 = average()
print("avg1 --> ", avg1(11))
print("avg1 --> ", avg1(15))

4、闭包的应用

本地作用域在函数结束后就立即失效,而嵌套作用域在嵌套的函数返回后却仍然有效,类似可以把这些变量类比为 C++中局部静态变量。想要给函数增加或者保持状态、实现装饰器、构建工厂函数、创建函数组合就可以使用闭包来实现。

##################### 函数组合
def add(x):
    return x + 2

def multiply(x):
    return x * 3

def compose(f, g):
    # 返回一个闭包,将 f(g(x)) 的结果
    def inner(x):
        return f(g(x))
    return inner

# 创建函数组合
combined_function = compose(add, multiply)

# 使用组合函数
result = combined_function(4)  # 先执行 multiply(4),然后执行 add(12)
print(result)  # 输出 14


################### 创建工厂函数
def create_multiplier(factor):
    # 工厂函数返回一个闭包
    def multiplier(x):
        return x * factor
    return multiplier

# 创建两个不同的乘法函数工厂
double = create_multiplier(2)
triple = create_multiplier(3)

# 使用工厂函数生成乘法函数
double_result = double(5)  # 返回 5 * 2 = 10
triple_result = triple(5)  # 返回 5 * 3 = 15

print(double_result)
print(triple_result)

################# 装饰器
import time

def timing_decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end_time = time.time()
        execution_time = end_time - start_time
        print(f"{func.__name__} executed in {execution_time:.4f} seconds")
        return result
    return wrapper

# 使用装饰器
@timing_decorator
def requests_http_data():
    # 模拟一些耗时操作
    time.sleep(2)

requests_http_data()

5、global和nonlocal

global 声明对全局变量进行引用修改
nonlocal 内嵌函数内部想对嵌套作用域中的值是不可变类型的变量(值为 int、float、str)进行修改

n = 100

def add():
    global n # 函数内部要对全局变量进行修改,必须使用global声明
    n = n +100
    print(n)

add()
print(n)


def sub():
    a = 100

    def execs():
        nonlocal a # 内嵌的函数想修改外部函数的变量,必须使用nonlocal进行声明
        a = a - 1
        return a
    return execs

s = sub()
print(s())

6、闭包和类

闭包比较像只有一个方法的类,可以保持状态和数据隐藏,为什么不写成类:
1、闭包的功能一般很小很简单
2、闭包执行速度较快,不需要多余的self参数等

# 闭包
def counter():
    count = 0

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

    return increment

# 创建闭包对象
counter1 = counter()
counter2 = counter()

print(counter1())  # 输出 1
print(counter1())  # 输出 2
print(counter2())  # 输出 1
print(counter1())  # 输出 3

# 类
class Counter:
    def __init__(self):
        self.count = 0

    def increment(self):
        self.count += 1
        return self.count

# 创建类对象
counter1 = Counter()
counter2 = Counter()

print(counter1.increment())  # 输出 1
print(counter1.increment())  # 输出 2
print(counter2.increment())  # 输出 1
print(counter1.increment())  # 输出 3

7、扩展-偏函数

# 偏函数,也可以保持函数内部的变量状态
# 我们可以使用内置的 functools 模块的 partial 函数来创建偏函数。
# 偏函数指通过固定函数的一部分参数后,返回一个新的函数,
# 这个新函数可以接受剩余的参数进行调用
from functools import partial


def add(a, b):
    return a + b


x = partial(add, 1) # 1赋给参数a 并暂停函数
print(x)
res1 = x(2)	# 将2赋给b后进行计算
print(res1) # 3
res2 = x(3)
print(res2) # 4

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