Python 闭包（Closure）知识点

一、闭包概述

1. 什么是闭包

闭包（Closure）是指一个函数（通常是嵌套函数）能够访问并记住其外部函数的变量，即使外部函数已经执行完毕。闭包的一个关键点是，嵌套函数不仅能够访问外部函数的变量，还能够修改这些变量。

在 Python 中，闭包的作用域可以跨越函数的调用。闭包的典型应用是维护状态和避免全局变量污染。

2. 闭包的特点

外部函数定义了一个内部函数。
内部函数引用了外部函数的变量。
外部函数的变量在外部函数执行结束后仍然能被内部函数访问。
外部函数返回了内部函数，使得内部函数成为闭包。

二、闭包的工作原理

外部函数执行：外部函数会创建一个作用域，并在这个作用域内定义内部函数。
返回内部函数：外部函数返回内部函数的引用，不会立即执行，而是将其作为结果返回。
闭包的作用：内部函数引用外部函数的局部变量，形成闭包。即使外部函数执行结束，闭包依然可以访问这些局部变量。

三、闭包的代码案例

1. 基本的闭包示例

# 外部函数
def outer_function(x):
    # 外部函数中的变量 x
    def inner_function(y):
        # 内部函数引用了外部函数的变量 x
        return x + y
    # 返回内部函数的引用
    return inner_function

# 创建闭包
closure = outer_function(10)  # outer_function(10) 返回的是内部函数的引用

# 使用闭包
result = closure(5)  # 内部函数被调用，传入 5
print(result)  # 输出: 15

注释：

outer_function 是外部函数，接收一个参数 x。
inner_function 是内部函数，它引用了外部函数的变量 x。
外部函数返回内部函数的引用，形成闭包 closure，它可以继续访问 x 的值。
即使 outer_function 已经执行结束，闭包依然能够访问 x，并且根据不同的输入计算结果。

2. 闭包用于维护状态

# 定义一个闭包来维护计数器的状态
def counter():
    count = 0  # 外部函数中的变量 count，用于记录次数
    def increment():
        nonlocal count  # 关键字 nonlocal 表示引用外部函数的变量
        count += 1  # 增加计数
        return count
    return increment

# 创建一个计数器闭包
counter1 = counter()

# 调用闭包
print(counter1())  # 输出: 1
print(counter1())  # 输出: 2
print(counter1())  # 输出: 3

注释：

counter 函数返回了 increment 函数的引用，increment 函数引用并修改了外部的 count 变量。
nonlocal 关键字用于声明变量 count 是外部函数的局部变量，避免重新定义一个局部变量。
每次调用 counter1()，计数器的状态都会更新，从而实现计数功能。

3. 闭包与返回多个值

# 创建一个闭包来返回多个相关函数
def arithmetic_operations(x):
    def add(y):
        return x + y
    def subtract(y):
        return x - y
    def multiply(y):
        return x * y
    return add, subtract, multiply

# 创建闭包
add_function, subtract_function, multiply_function = arithmetic_operations(10)

# 使用闭包返回的函数
print(add_function(5))  # 输出: 15
print(subtract_function(5))  # 输出: 5
print(multiply_function(5))  # 输出: 50

注释：

arithmetic_operations 返回了三个嵌套函数：add、subtract 和 multiply。
每个嵌套函数都可以引用外部函数的变量 x，并执行不同的算术操作。
使用闭包可以灵活地封装不同的操作，避免重复代码。

四、闭包常见应用

避免全局变量污染：闭包能够有效避免在全局作用域中定义大量的变量，保持程序的清晰和可维护性。
函数工厂：闭包可以生成具有相似行为但稍有不同的多个函数。例如，构造不同的计数器、数学操作等。
回调函数与事件处理：在异步编程和事件驱动编程中，闭包经常被用来保存事件的状态或回调函数的状态。

五、闭包的注意事项

闭包捕获的变量是引用而非拷贝：闭包函数会捕获外部函数的变量引用，而非拷贝。因此，闭包内使用的外部变量值是动态变化的。
避免闭包引用未定义的变量：在使用闭包时，确保内部函数能够正确引用外部函数定义的变量，避免引用未定义的变量。
nonlocal 和 global：
- nonlocal 用于修改外部函数（但非全局）的变量。
- global 用于修改全局作用域中的变量。