Python高级函数：掌握闭包和装饰器的使用方法

一、什么是闭包？

在Python中，闭包（Closure）是指一种特殊的对象。闭包由两个部分组成：代码块和环境。代码块是一个函数，环境是代码块中的非全局变量的值集合。

二、闭包的定义

在Python中，一个变量的作用域（Scope）是指在什么范围内能够访问这个变量。如果变量在函数内定义，它的作用域就是这个函数的内部，如果变量在函数外定义，它的作用域是整个脚本。

如果在函数内部定义一个函数，且该内部函数引用了函数外部的变量，就会形成闭包。

如下例：

def outer_func():
    message = 'Hi'

    def inner_func():
        print(message)
    return inner_func

my_func = outer_func()
my_func()        # Output: Hi

说明：outer_func() 函数返回了 inner_func 函数，inner_func 函数引用了 outer_func() 函数中的 message 变量，因此 inner_func 函数就是一个闭包。

闭包的特点：

1、闭包能够访问它定义时在其上层函数的名称空间中的变量

2、即使其定义的函数已经被删除或已经离开了其名称空间，闭包仍然能够访问这些变量

三、解释装饰器

装饰器（Decorator）是 Python 中非常重要的一个概念。它可以改变一个函数的行为，而无需修改函数的代码。我们可以把装饰器理解为把某种变形进行系统化操作的过程。在Python中，装饰器的实现基于闭包。

Python 中的装饰器通常使用 @ 符号表示，它是最快捷的方式。如果要使用装饰器可以在函数定义前直接使用 @ 符号进行装饰，示例如下：

def decorator(func):
    def inner():
        print("Hello World")
        func()
    return inner

@decorator
def original_func():
    print("This is original function")

original_func()

说明：

1、使用 @decorator 对函数 original_func 进行修饰

2、decorator 函数返回了 inner 函数，inner 函数在 print("Hello World") 以及调用原始函数之前输出 "Hello World"

3、在函数调用时，现在可以使用装饰器 "在运行时（runtime）修改函数或者方法的功能"，看起来是个很酷的功能。

4、在上述示例代码中，def original_func() 是直接调用 inner() 函数，相当于 inner() 作为了 original_func() 的替身而存在，输出结果为：

Hello World
This is original function

三、闭包与装饰器的应用

1、函数嵌套

前面已经讲过，闭包是 Python 中函数嵌套的结果，这是大括号在 Python 语法中的重要应用。例如，你可能经常看到在类中的函数嵌套，通过这种方式来封装类内的私有函数。

2、管道简化计算过程

管道就像 Unix 系统中的管道一样，读取一个数据，在对其进行操作之前可以将其通过多个函数传递。如果没有闭包和装饰器，这将非常麻烦，但如果使用装饰器编写，就可以轻松地将其转换为管道处理。以下是一个简化的计算示例：

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

def subtract(a, b):
    return a - b

def multiply(a, b):
    return a * b

def divide(a, b):
    return a / b

def apply(func, x, y):
    return func(x, y)

print(apply(add, 5, 2))        # Output: 7
print(apply(subtract, 5, 2))   # Output: 3
print(apply(multiply, 5, 2))   # Output: 10
print(apply(divide, 5, 2))     # Output: 2.5

在代码运行中，能在几个函数之间进行切换，以执行所需的计算。

3、使用装饰器创建单例模式

单例模式(Singleton pattern) 是一个创建对象的设计模式，其目的是，禁止用户重复创建对象。在 Python 中，单例模式创建起来很简单，以下是一个示例：

def singleton(cls):
    instances = {}
    def get_instance():
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls()
        return instances[cls]
    return get_instance

@singleton
class MyClass:
    pass

obj1 = MyClass()
obj2 = MyClass()
print(obj1 == obj2)    # Output: True

说明：

1、在上述代码中，定义了一个函数 singleton ，该函数使用字典实现单例模式

2、使用 @singleton 装饰器对 MyClass 进行装饰，为其创建了一个单一实例

3、使用 obj1 = MyClass() 语句实例化 MyClass 类，再使用 obj2 = MyClass() 实例化 MyClass 类，最后输出 obj1 和 obj2，判断它们的值是否相等，得到 True。

四、总结

闭包和装饰器是 Python 编程中很常用的特性，它们的强大功能可以简化编程过程，还可以优化函数和程序的性能。在程序设计中，一个 Python 开发人员需要了解闭包和装饰器，并且要学会高效使用他们才能写出优秀的 Python 代码。