第二章｜函数、作用域与闭包

本章目标

深入理解 Python 函数机制：如何定义和调用函数、作用域规则、闭包的工作原理、灵活的参数模型。

从基本的函数定义开始，理解 LEGB 作用域规则，掌握闭包的状态封装能力，最后学习 Python 强大而灵活的参数系统。

学习路径

按顺序阅读以下文章，每篇包含讲解、示例和练习：

1. 函数：定义、参数、返回值与调用
   学习函数定义、参数传递、返回值、默认参数值、文档字符串、lambda 表达式。

2. 作用域与 LEGB：函数如何找到名字
   理解 LEGB 作用域规则、全局与本地变量、global 和 nonlocal 关键字。

3. 闭包：捕获外层变量与生命周期
   掌握闭包概念、变量捕获机制、闭包应用场景、闭包 vs 类的选择。

4. 参数模型：位置、关键字、解包与默认值陷阱
   学习 *args、**kwargs、参数解包、仅限位置/关键字参数、避免默认参数陷阱。

关键概念

函数是一等对象

Python 中函数是一等对象，可以赋值给变量、作为参数传递、从函数返回。这是函数式编程和装饰器的基础。

def square(x):
    return x * x

f = square  # 函数赋值
print(f(5))  # 25

def apply(func, value):
    return func(value)  # 函数作为参数

print(apply(square, 3))  # 9

LEGB 规则

Python 按 Local → Enclosing → Global → Built-in 顺序查找名字。理解这个规则是掌握作用域的关键。

闭包

闭包是捕获了外层作用域变量的函数。即使外层函数返回，闭包仍可访问被捕获的变量。闭包用于状态封装、工厂函数、回调等场景。

def make_counter():
    count = 0
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    return increment

counter = make_counter()
print(counter())  # 1
print(counter())  # 2

灵活的参数系统

Python 的参数系统支持：

• 位置参数和关键字参数
• *args 收集任意位置参数
• **kwargs 收集任意关键字参数
• / 标记仅限位置参数（Python 3.8+）
• * 标记仅限关键字参数

这使得 Python 函数极其灵活，但也需要理解默认参数的陷阱。

前置知识

• 第一章：值、绑定与控制流
• 理解对象与名字绑定
• 掌握基本控制流

后续章节

完成本章后，继续学习：

• 第三章：对象、集合与文本数据
  深入列表、字典、集合、字符串、Unicode、正则表达式、日期时间、序列化。

• 第四章：类、继承与对象协议
  理解类定义、继承、特殊方法、描述符、数据类。

练习答案

本章所有练习的答案和详细解释：第二章练习答案

深入阅读

为什么函数是一等对象很重要？

函数作为对象使得高阶函数、装饰器、回调等模式成为可能。这是 Python 函数式编程能力的基础，也让代码更灵活、可复用。

何时用闭包，何时用类？

闭包适合：

• 简单的状态封装（1-2 个变量）
• 工厂函数
• 回调函数

类适合：

• 复杂的状态和行为
• 多个相关方法
• 需要继承或多态

默认参数陷阱的根本原因

默认参数在函数定义时求值一次，而非每次调用时。可变对象（列表、字典）作为默认值时，所有调用共享同一对象。使用 None 作为哨兵值，在函数体内创建新对象。

global vs nonlocal

• global：声明使用模块级全局变量
• nonlocal：声明使用最近的外层函数变量（不包括全局）

两者都用于在嵌套作用域中修改外层变量。只读取不需要声明。

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