關於Python閉包的一切
任何把函數當做一等對象的語言，它的設計者都要面對一個問題：作為一等對象的函數在某個作用域中定義，但是可能會在其他作用域中調用，如何處理自由變數？
自由變數（free variable），未在局部作用域中綁定的變數。
為了解決這個問題，Python之父Guido Van Rossum設計了閉包，有如神來之筆，程式碼美學盡顯。在討論閉包之前，有必要先了解Python中的變數作用域。
變數作用域
先看一個全局變數和自由變數的示例：
>>> b = 6
>>> def f1(a):
... print(a)
... print(b)
...
>>> f1(3)
3
6
函數體外的b為全局變數，函數體內的b為自由變數。因為自由變數b綁定到了全局變數，所以在函數f1()中能正確print。
如果稍微改一下，那麼函數體內的b就會從自由變數變成局部變數：
>>> 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f1()後面加上b = 9報錯：局部變數b在賦值前進行了引用。
這不是缺陷，而是Python設計：Python不要求聲明變數，而是假定在函數定義體中賦值的變數是局部變數。
如果想讓解釋器把b當做全局變數，那麼需要使用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數問題，假如有個叫做avg的函數，它的作用是計算系列值的均值，用類實現：
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
類實現不存在自由變數問題，因為self.series是類屬性。但是函數實現，進行函數嵌套時，問題就出現了：
def make_averager():
series = []
def averager(new_value):
# series是自由變數
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make_averager()在局部作用域中定義了series變數，它的內部函數averager()的自由變數series綁定了這個值。但是在調用avg(10)時，make_averager()函數已經return返回了，它的局部作用域也消失了。沒有閉包的話，自由變數series一定會報錯找不到定義。
那麼閉包是怎麼做的呢？閉包是一種函數，它會保留定義時存在的自由變數的綁定，這樣調用函數時，雖然定義作用域不可用了，但是仍然能使用那些綁定。
如下圖所示：
閉包會保留自由變數series的綁定，在調用avg(10)時繼續使用這個綁定，即使make_averager()函數的局部作用域已經消失。
nonlocal
把上面示例的需求稍微優化下，只存儲目前的總值和元素個數：
def make_averager():
count = 0
total = 0
def averager(new_value):
count += 1
total += new_value
return total / count
return averager
運行後會報錯：局部變數count在賦值前進行了引用。因為count +=1等同於count = count + 1，存在賦值，count就變成局部變數了。total也是如此。
這裡如果把count和total通過global關鍵字聲明為全局變數，顯然是不合適的，它們作用域最多只擴展到make_averager()函數內。為了解決這個問題，Python3引入了nonlocal關鍵字聲明：
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的作用是把變數標記為自由變數，即使在函數中為變數賦值了，也仍然是自由變數。
注意，對於列表、字典等可變類型來說，添加元素不是賦值，不會隱式創建局部變數。對於數字、字元串、元組等不可變類型以及None來說，賦值會隱式創建局部變數。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，不會隱式創建局部變數。
def make_averager():
# 不可變類型
count = 1
def averager(new_value):
print(count) # 報錯
count = new_value
return count
return averager
count是不可變類型，賦值會隱式創建局部變數，報錯：局部變數count在賦值前進行了引用。
def make_averager():
# None
count = None
def averager(new_value):
print(count) # 報錯
count = new_value
return count
return averager
count是None，賦值會隱式創建局部變數，報錯：局部變數count在賦值前進行了引用。
小結
本文先介紹了全局變數、自由變數、局部變數的概念，這是理解閉包的前提。閉包就是用來解決函數嵌套時，自由變數如何處理的問題，它會保留自由變數的綁定，即使局部作用域已經消失。對於不可變類型和None來說，賦值會隱式創建局部變數，把自由變數轉換為局部變數，這可能會導致程式報錯：局部變數在賦值前進行了引用。除了使用global聲明為全局變數外，還可以使用nonlocal聲明把局部變數強制變為自由變數，實現閉包。
參考資料：
《流暢的Python》
