词法闭包是如何工作的？

Question

当我在调查 Javascript 代码中的词法闭包问题时，我在 Python 中遇到了这个问题：

flist = []

for i in xrange(3):
    def func(x): return x * i
    flist.append(func)

for f in flist:
    print f(2)

请注意，此示例有意避免lambda。它打印“4 4 4”，这令人惊讶。我期待“0 2 4”。

这个等效的 Perl 代码做得对：

my @flist = ();

foreach my $i (0 .. 2)
{
    push(@flist, sub {$i * $_[0]});
}

foreach my $f (@flist)
{
    print $f->(2), "\n";
}

“0 2 4”被打印出来。

你能解释一下区别吗？

---

更新：

问题不是 i 是全球性的。这显示相同的行为：

flist = []

def outer():
    for i in xrange(3):
        def inner(x): return x * i
        flist.append(inner)

outer()
#~ print i   # commented because it causes an error

for f in flist:
    print f(2)

正如注释行所示，i 在那时是未知的。尽管如此，它仍会打印“4 4 4”。

Answer 1

Python 实际上按照定义的方式运行。 创建了三个单独的函数，但它们每个都有定义它们的环境的闭包 - 在这种情况下，全局环境（或外部函数的环境，如果循环被放置在另一个函数中）。这正是问题所在 - 在这种环境中，i 发生了变异，并且所有闭包都引用了相同的 i。

这是我能想到的最佳解决方案 - 创建一个函数创建器并调用 that。这将为创建的每个函数强制不同的环境，每个函数中都有一个不同的 i。

flist = []

for i in xrange(3):
    def funcC(j):
        def func(x): return x * j
        return func
    flist.append(funcC(i))

for f in flist:
    print f(2)

当您混合副作用和函数式编程时会发生这种情况。

Answer 2

循环中定义的函数不断访问同一个变量i，而其值发生变化。在循环结束时，所有函数都指向同一个变量，该变量保存了循环中的最后一个值：效果就是示例中所报告的。

为了评估i并使用它的值，一个常见的模式是将其设置为参数默认值：在执行def语句时评估参数默认值，因此循环变量的值被冻结.

以下按预期工作：

flist = []

for i in xrange(3):
    def func(x, i=i): # the *value* of i is copied in func() environment
        return x * i
    flist.append(func)

for f in flist:
    print f(2)

Answer 3

这是使用 functools 库的方法（我不确定在提出问题时是否可用）。

from functools import partial

flist = []

def func(i, x): return x * i

for i in xrange(3):
    flist.append(partial(func, i))

for f in flist:
    print f(2)

按预期输出 0 2 4。

Answer 4

看看这个：

for f in flist:
    print f.func_closure


(<cell at 0x00C980B0: int object at 0x009864B4>,)
(<cell at 0x00C980B0: int object at 0x009864B4>,)
(<cell at 0x00C980B0: int object at 0x009864B4>,)

这意味着它们都指向同一个 i 变量实例，一旦循环结束，其值为 2。

一个可读的解决方案：

for i in xrange(3):
        def ffunc(i):
            def func(x): return x * i
            return func
        flist.append(ffunc(i))

Answer 5

发生的情况是变量 i 被捕获，并且函数正在返回它在调用时绑定的值。在函数式语言中，这种情况永远不会出现，因为 i 不会反弹。但是，对于 python，以及您在 lisp 中所见，这不再是正确的。

与您的方案示例的不同之处在于 do 循环的语义。 Scheme 每次通过循环都有效地创建一个新的 i 变量，而不是像其他语言一样重用现有的 i 绑定。如果您使用在循环外部创建的不同变量并对其进行变异，您将在方案中看到相同的行为。尝试将循环替换为：

(let ((ii 1)) (
  (do ((i 1 (+ 1 i)))
      ((>= i 4))
    (set! flist 
      (cons (lambda (x) (* ii x)) flist))
    (set! ii i))
))

查看here 以了解有关此问题的进一步讨论。

[编辑] 可能更好的描述方式是将 do 循环视为执行以下步骤的宏：

1. 定义一个采用单个参数 (i) 的 lambda，其主体由循环主体定义，
2. 使用适当的 i 值作为参数立即调用该 lambda。

即。相当于下面的python：

flist = []

def loop_body(i):      # extract body of the for loop to function
    def func(x): return x*i
    flist.append(func)

map(loop_body, xrange(3))  # for i in xrange(3): body

i 不再是来自父作用域的变量，而是它自己作用域中的一个全新变量（即 lambda 的参数），因此您会得到观察到的行为。 Python 没有这个隐式的新作用域，所以 for 循环的主体只共享 i 变量。

Answer 6

问题是所有本地函数都绑定到同一个环境，因此绑定到同一个i 变量。解决方案（解决方法）是为每个函数（或 lambda）创建单独的环境（堆栈帧）：

t = [ (lambda x: lambda y : x*y)(x) for x in range(5)]

>>> t[1](2)
2
>>> t[2](2)
4

Answer 7

我仍然不完全相信为什么在某些语言中这是一种方式，而在另一种方式中。在 Common Lisp 中，它就像 Python：

(defvar *flist* '())

(dotimes (i 3 t)
  (setf *flist* 
    (cons (lambda (x) (* x i)) *flist*)))

(dolist (f *flist*)  
  (format t "~a~%" (funcall f 2)))

打印“6 6 6”（注意这里的列表是从 1 到 3，并且反向构建）。 在 Scheme 中，它的工作方式与在 Perl 中一样：

(define flist '())

(do ((i 1 (+ 1 i)))
    ((>= i 4))
  (set! flist 
    (cons (lambda (x) (* i x)) flist)))

(map 
  (lambda (f)
    (printf "~a~%" (f 2)))
  flist)

打印“6 4 2”

正如我已经提到的，Javascript 属于 Python/CL 阵营。这里似乎有一个实现决策，不同的语言以不同的方式处理。我很想知道究竟是什么决定。

Answer 8

变量i是一个全局变量，每次调用函数f时其值为2。

我倾向于按如下方式实现您所追求的行为：

>>> class f:
...  def __init__(self, multiplier): self.multiplier = multiplier
...  def __call__(self, multiplicand): return self.multiplier*multiplicand
... 
>>> flist = [f(i) for i in range(3)]
>>> [g(2) for g in flist]
[0, 2, 4]

对您的更新的回应：导致这种行为的不是i 本身的全局性，而是它是来自封闭范围的变量这一事实在调用 f 时具有固定值。在您的第二个示例中，i 的值取自 kkk 函数的范围，当您在 flist 上调用函数时，没有任何改变。

Answer 9

已经解释了行为背后的原因，并且已经发布了多个解决方案，但我认为这是最 Pythonic 的（记住，Python 中的一切都是对象！）：

flist = []

for i in xrange(3):
    def func(x): return x * func.i
    func.i=i
    flist.append(func)

for f in flist:
    print f(2)

Claudiu 的答案非常好，使用函数生成器，但 piro 的答案是老实说，因为它使 i 成为具有默认值的“隐藏”参数（它可以正常工作，但它不是“蟒蛇”）。

Answer 10

我不喜欢上面的解决方案如何在循环中创建wrappers。注：python 3.xx

flist = []

def func(i):
    return lambda x: x * i

for i in range(3):
    flist.append(func(i))

for f in flist:
    print f(2)