嵌套函數：提高Python函數編寫的靈活性與復用性

一、什麼是嵌套函數

嵌套函數是指在一個函數內部定義的函數。它們與普通函數一樣，可以接受參數，也可以返回值。不同之處在於，嵌套函數只能在外層函數中調用，無法在其他地方使用。

嵌套函數可以使代碼更加清晰和模塊化，允許將任務分解為更小的部件，並在需要時調用相應的部件。這也增加了函數的靈活性和復用性。

def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x * y
    return inner_function

double = outer_function(2)
triple = outer_function(3)

print(double(5))
print(triple(5))

在上面的代碼中，我們定義了一個外部函數outer_function，它接受一個參數x並定義一個嵌套函數inner_function。嵌套函數inner_function接受另一個參數y，並返回x * y。最後，outer_function返回inner_function，而不是調用它。

通過調用outer_function並將其結果分別賦給double和triple，我們創建了兩個新的函數，它們分別將x設置為2和3，並執行嵌套函數inner_function來計算它們的結果。

當double和triple被調用時，它們實際上是在調用inner_function函數，並傳遞一個參數y。由於x被初始化為2或3，內部函數結果分別是10和15。

二、利用嵌套函數實現裝飾器

裝飾器是Python中一個很有用的特性，它允許在不改變已有代碼的情況下，對現有函數進行修改。裝飾器本質上是一個函數，它將接受一個函數作為輸入，並返回一個新的函數作為輸出。

使用嵌套函數實現裝飾器是一種常用的方法。我們可以在外層函數中定義裝飾器功能，然後在內層函數中定義一個新的函數來包裝原始函數。

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("Before the function is called.")
        func()
        print("After the function is called.")
    return wrapper

def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello = my_decorator(say_hello)

say_hello()

在這個例子中，我們定義了一個裝飾器函數my_decorator，它接受一個函數作為輸入，並返回一個新函數wrapper。wrapper函數在原始函數say_hello被調用前後列印一些消息。最後，我們使用my_decorator來裝飾say_hello函數，這時候say_hello就變成了一個新函數，它會在調用原始函數前後列印一些消息。

三、使用函數工廠函數生成嵌套函數

函數工廠是一種可以生成函數的函數。通過使用嵌套函數，我們可以輕鬆地實現一個函數工廠，以生成一個特定的函數。這種方法可以幫助我們減少代碼重複，提高代碼的復用性。

def create_multiplier(num):
    def multiplier(x):
        return num * x
    return multiplier

double = create_multiplier(2)
triple = create_multiplier(3)

print(double(5))
print(triple(5))

在這個例子中，我們使用一個函數工廠create_multiplier來生成一個用於乘以給定數字的嵌套函數multiplier。通過調用create_multiplier並傳遞不同的數字參數，我們可以輕鬆生成具有不同乘數的函數double和triple。

四、嵌套函數的作用域

在Python中，變數的作用域定義為變數可以被訪問的範圍。在函數中定義的變數只能在該函數內部訪問，無法在函數外部使用。但是，嵌套函數的作用域可以不止於外部函數。

當內部函數引用外部函數的變數時，這些變數通常稱為「自由變數」。內部函數可以訪問外部函數中的自由變數，但無法更改它們的值。

def outer_function():
    x = 1
    def inner_function():
        print(x)
    return inner_function

my_function = outer_function()

my_function()

在這個例子中，我們定義了一個外部函數outer_function，在其中定義了一個變數x，並返回一個內部函數inner_function。我們使用outer_function來創建my_function，並將其賦值給my_function。最後，我們調用my_function來執行inner_function，並列印變數x的值。

這裡值得注意的是，在outer_function中定義的變數x不是嵌套函數inner_function的局部變數，而是自由變數。即使我們已經退出了outer_function，我們仍然可以使用my_function來訪問x變數。

五、使用嵌套函數實現帶參數的裝飾器

前面介紹了如何使用嵌套函數實現裝飾器，但它只能處理不帶參數的函數。如果我們要編寫一個帶參數的裝飾器，我們需要用到更高級的嵌套函數。

def my_decorator(num):
    def decorator(func):
        def wrapper():
            print("Before the function is called.")
            func()
            print("After the function is called.")
            print("The number is: " + str(num))
        return wrapper
    return decorator

@my_decorator(num=42)
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

在這個例子中，我們定義了三個函數，分別是my_decorator、decorator和wrapper。my_decorator是一個函數工廠，它接受一個數值參數num，並返回decorator函數。decorator函數接受一個函數作為輸入，並返回wrapper函數。最後，我們用@my_decorator(num=42)裝飾say_hello函數。

當我們調用say_hello函數時，實際上會調用wrapper函數，它會在列印消息前後列印一些附加的消息，以及num參數的值。

六、總結

在Python中，嵌套函數可以提高函數編寫的靈活性和復用性。它們可以用於實現裝飾器、函數工廠等功能，並且可以更方便地實現對變數的控制和管理。通過利用嵌套函數，我們可以更好地組織代碼，並提高代碼的可讀性和可維護性。