LU05c - Closures in Python

Ein Closure ist eine innere Funktion, die sich an den Zustand ihrer äußeren umgebenden Funktion erinnert, selbst wenn die äußere Funktion ihren Ausführungskontext bereits verlassen hat. Closures sind ein Konzept, das in vielen Programmiersprachen, einschließlich Python, vorkommt.

• Closure: Eine innere Funktion, die Zugang zu den Variablen und dem Zustand ihrer äußeren Funktion hat, auch nachdem diese beendet wurde.
• Äußere Funktion: Die umschließende Funktion, die die innere Funktion definiert.
• Innere Funktion: Die Funktion, die als Closure dient, weil sie den Zustand der äußeren Funktion speichert.

Ein einfaches Beispiel für ein Closure:

def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y
    return inner_function
 
add_five = outer_function(5)
print(add_five(3))  # Output: 8

In diesem Beispiel ist inner_function ein Closure, das den Wert von x speichert, selbst nachdem outer_function beendet wurde.

Die Animation zeigt genau dieses Beispiel Schritt für Schritt: wie der Rahmen von outer_function vom Aufruf-Stack verschwindet, während die Zelle mit x = 5 bestehen bleibt. Der zweite Tab zeigt, dass zwei Aufrufe zwei unabhängige Zellen erzeugen.

• Innere Funktionen haben Zugriff auf die Variablen und den Zustand ihrer äußeren Funktion.
• Die innere Funktion ``erinnert`` sich an diesen Zustand, selbst wenn die äußere Funktion bereits beendet wurde.
• Das ermöglicht es, Zustand und Daten zwischen mehreren Aufrufen der inneren Funktion zu speichern.

add_five zeigt den Mechanismus, aber niemand schreibt so etwas in echtem Code – dafür gibt es die Addition. Die folgenden fünf Muster sind die Fälle, in denen Closures tatsächlich eingesetzt werden.

Statt bei jedem Aufruf den Steuersatz mitzugeben, erzeugt man einmal eine Funktion, die ihn bereits kennt:

def preis_mit_steuer(satz):
    def berechne(netto):
        return round(netto * (1 + satz / 100), 2)
    return berechne
 
schweiz = preis_mit_steuer(8.1)
deutschland = preis_mit_steuer(19)
 
print(schweiz(100))       # 108.1
print(deutschland(100))   # 119.0

schweiz und deutschland sind zwei unabhängige Funktionen mit je eigener gespeicherter Einstellung – genau das zeigt Tab 2 der Animation. Typische Vertreter: Rabattrechner, Einheitenumrechner, Validatoren mit unterschiedlichen Grenzwerten.

Funktionen wie sorted() erwarten eine Funktion mit genau einem Parameter. Wenn diese Funktion aber zusätzlich wissen muss, wonach sortiert werden soll, liefert ein Closure die Lösung:

def nach_feld(feld):
    def schluessel(eintrag):
        return eintrag[feld]
    return schluessel
 
produkte = [
    {"name": "Maus", "preis": 25},
    {"name": "Tastatur", "preis": 80},
    {"name": "USB-Hub", "preis": 12},
]
 
for p in sorted(produkte, key=nach_feld("preis")):
    print(p["name"], end=" ")   # USB-Hub Maus Tastatur
print()
for p in sorted(produkte, key=nach_feld("name")):
    print(p["name"], end=" ")   # Maus Tastatur USB-Hub

So wird aus dem Klick auf eine Tabellenspalte im UI direkt die passende Sortierfunktion – ohne für jede Spalte eine eigene Funktion zu schreiben.

Ein Closure kann sich zwischen den Aufrufen etwas merken. Mit nonlocal darf die innere Funktion die gespeicherte Variable auch verändern:

def zaehler_erstellen():
    anzahl = 0
    def hochzaehlen():
        nonlocal anzahl
        anzahl += 1
        return anzahl
    return hochzaehlen
 
klicks = zaehler_erstellen()
fehler = zaehler_erstellen()
 
print(klicks())   # 1
print(klicks())   # 2
print(fehler())   # 1  -> eigener, unabhängiger Zustand

Der entscheidende Punkt: anzahl ist von außen nicht erreichbar. Niemand kann den Zähler versehentlich auf 500 setzen. Das ist echte Datenkapselung – ohne globale Variable und ohne eigene Klasse. Genau darum geht es in der Aufgabe LU05.A09 - Refactoring: Vermeiden globaler Variablen durch Closures.

Ein Button erwartet eine Funktion ohne Argumente. Trotzdem muss beim Klick klar sein, welcher Button gedrückt wurde – das Closure transportiert diese Information:

def klick_handler(button_name):
    def bei_klick():
        print(f"Button '{button_name}' wurde geklickt")
    return bei_klick
 
# button.on_click(klick_handler("Speichern"))
klick_handler("Speichern")()   # Button 'Speichern' wurde geklickt

Dasselbe Muster steckt hinter Event-Listenern in JavaScript, Callbacks in GUI-Frameworks und Retry-Logik, die eine bereits konfigurierte Operation erneut ausführt.

Decorators sind die verbreitetste Anwendung von Closures überhaupt: Die äußere Funktion nimmt eine Funktion entgegen, die innere „erinnert„ sich an sie und erweitert ihr Verhalten – etwa um Logging, Zeitmessung oder eine Berechtigungsprüfung. Details dazu auf LU05d - Decorators für Funktionen in Python.

funktionen = [lambda: i for i in range(3)]
print([f() for f in funktionen])   # [2, 2, 2] – nicht [0, 1, 2]!

funktionen = [lambda i=i: i for i in range(3)]
print([f() for f in funktionen])   # [0, 1, 2]

© Kevin Maurizi