Python 闭包原理_python闭包原理

1、什么是闭包？

这里可以把闭包当成一个由两部分组成的整体？哪两部分呢：1、函数  2、”约束“（也就是引用的外部函数的变量）

举个例子：

这里把函数inner_func返回，其实返回的并不仅仅是inner_func这个函数，还有(a, 1)这个外部的变量这条约束，Python将这两个作为一个整体捆绑起来，然后把整体返回，这个捆绑的整体叫做闭包，随着下面的深入，会发现其实返回的仅仅是inner_func的函数对象，只不过(a, 1)这条约束被设置成了函数对象的某一部分， 这种说法是不太正确的，其实只把值存起来了。

2、PyCodeObject, PyFrameObject, PyFunctionObject, PyEval_EvalFrameEx(), PyEval_EvalCodeEx()

PyCodeObject对应Python的一个作用域，也就是说一个作用域会有一个独立的PyCodeObject对象，这个对象是Python编译的结果，这个对象中存放了编译产生的信息，比如字节码、常量、变量名等，在这个对象的相关域中存放。

这个对象的co_code域中存放编译产生的字节码，co_freevars和co_cellvars与闭包有关，co_cellvars存放的是嵌套函数所使用的变量集合，比如上面的代码中，outer_func对应的PyCodeObject对象的co_cellvars就会存放a这个变量的值（因为嵌套函数inner_func使用了这个变量（print(a)） ），而co_freevars存放的是使用的外部函数的变量值的集合，比如inner_func对应的PyCodeObject对象的co_freevars就会保存变量a的值。

PyFrameObject： 就是执行环境，也是一个对象，也叫栈帧；与PyCodeObject也是对应的，PyFrameObject的f_code域就是存放与它对应的PyCodeObject对象的;

PyFunctionObject：函数对象，当执行def func(): 时，就会创建一个PyFunctionObject对象

在这里我们仅关注func_closure这个域，因为它与闭包的实现有关, (看名字也能看得出来).

PyEval_EvalFrameEx：用于执行Python的字节码，而这函数的参数就要有一个PyFrameObject，要把执行环境的相关信息传入，而PyFrameObject对应的PyCodeObject对象中存放有字节码，所以PyEval_EvalFrameEx与PyEval_EvalCodeEx得以执行这些字节码，当然这两个函数不仅需要PyFrameObject这一个参数。

PyEval_EvalCodeEx：

PyEval_EvalCodeEx:会先进行大量与参数有关的处理，最后还是会调用上面的PyEval_EvalFrameEx()函数，进行字节码指令的执行。

 

由于outer_func()这个函数的某些原因（进行了某些判断（由于闭包）），这个函数并不能直接进入PyEval_EvalCodeEx()，而是进入了PyEval_EvalCodeEx()中进行相关处理，然后才可以进入 PyEval_EvalCodeEx执行outer_func编译出的字节码。

 

我们先来看一下在真正执行这outer_func函数的字节码之前，在PyEval_EvalCodeEx()中进行了哪些处理：

在介绍之前，我们先要知道PyFrameObject的布局：

下面给出outer_func在被调用时的字节码：

其中第一部分对应a=1; 第二部分对应def inner_func; 第三部分比较简单，就是返回inner_func；

先来看第一部分：a = 1对应的字节码，可能大家一眼看不出来这两条字节码指令有什么特别的，那让我们来对比一下普通的赋值语句；

这是b=2这个普通赋值语句的字节码（注意虽然a=1也是赋值，但是a这个变量与闭包有关，所以会与普通的赋值不同），

b=2这两条语句的字节码意思分别是：

LOAD_CONST: 从常量表中取出2这个值（在这里不用去追究这个常量表在哪，长什么样，这不是我们的重点），取出后压入栈（在这里只需要知道了把值压入到了某个栈中就好了）

STORE_NAME: 从栈中取出2这个值，并且从符号表（也不用管这个表的具体信息，只需要知道，这个表中存放了变量名等符号，上面说的常量表是存变量值的，而这里的符号表是存变量名的），然后把这条约束存入local名字空间（就是个字典）。

而在闭包的实现过程中，与闭包有关的变量的赋值，使用的是STORE_DEFEF这条字节码，

首先弹出LOAD_CONST压入栈的值‘1’，存放到w中（当然这里处理的是对象）;

然后从freevars，取出了一个东西放到了x中，freevars值如下：

， 其实这里就是让freevars指向Cell对象区域，见上面FrameObject布局（f_localsplus为FrameObject最后一个成员）。

下一条PyCell_Set就是设置了一个Cell对象指向整数对象1， 注意这里已经把变量值‘1’与out_func”绑定“起来了。

下面两条字节码指令LOAD_CLOSER： 从freevars取出刚才的cell对象(上面刚刚设置好)，并压栈准备后面使用。

BUILD_TUPLE：把刚压栈的Cell对象（整数对象1），打包成一个Tuple(就是Python中元组的源码实现)， 并压栈。

再下面两个LOAD_CONST，

第一个LOAD_CONST把inter_func的CodeObjet压栈。

第二个LOAD_CONST是把"inner_func"这个函数名字符串对象压栈。

然后下面MAKE_FUNCTION指令，注意这时运行时栈中栈顶为"inner_func"字符串对象，第二个元素为inter_func.CodeObject,第三个为BUILD_TUPLE压入了Cell对象集合。

[代码已删减]

首先把inner_func.CodeObject和函数名"inner_func"字符串弹出（此时栈顶为Cell元组集合），用于生成一个函数对象(要被返回)。

然后下面判断操作码是否要创建闭包（在我们的例子中当然是要创建了）（这里好像有点问题），进行的操作是取出Cell元组集合，再通过PyFunction_SetClosure(), 把这个元组集合绑定到inter_func对应的函数对象上（设置上FunctionObject的func_closure域上），到此inter_func已经与a的值1这个整数对象绑定起来了。

然后下面字节码把这个对象返回给上面（调用outer_func的”人“），这时得到的对象inter_func包含了其中要使用的变量值1, 这个函数对象inter_func.FunctionObject与其中的”约束“（可能已经不能叫约束这个名字了），实现了闭包的效果。

 

在执行inter_func时：inter_func(), 到达PyEval_EvalCodeEx中执行字节码之前会有如下操作

这里是把func_closer域中的集合（刚才的Cell集合）放到了inter_func栈帧的freevars域中，

在使用这个变量a的值时，也是要到freevars域中取值。

 

装饰器也是在闭包的基础上来实现的。

 

总结一下，

这个变量值1的流向：先在outer_func栈帧的cellvar域中作为cell对象（要被内层函数使用），然后打包成Tuple集合（可以使用多个变量，所以要打包，虽然我们只使用了一个），然后被绑定在inter_func的函数对象中（相当于打包在一直了）;  这个整体可以就叫闭包， 也就是可以在inter_func中使用这个值了。

使用值当然是要调用inter_func了，注意上面（前边四行）说的操作是调用outer_func时的，

调用 inter_func时，就会执行字节码进入PyEval_EvalCodeEx中，如前所述，在这里把刚才绑定到inter_func函数对象中的Cell集合依次放到inter_func栈帧的freevars区域中，以后使用这个值时，到freevars域中来取。

这里可能有人会问，为什么只有变量值呢，那print(a)时，没有存a的值，更没有更这对约束（a, 1）, 怎么找到1这个整数呢？

这其实很简单，因为访问这些值，包括位置参数都是通过下标来访问的，比如刚才的1最终放到了freevars的0号位置，那么取值时就是 o = freevars[0]了，那又怎么确定变量位置呢，当然是编译时就确定的，这些信息编译时完成可以确定。

 

参考：《Python源码剖析》

这本书看了已经一年了，文章草稿也存了一年了，内容忘了差不多了，所以逻辑可能不是很连贯，

如有错漏，恳请指正。