什么是函数嵌套？

函数嵌套是指在Python中，在一个函数内部定义另一个函数。这种技术可以创建更高级的编程结构，如闭包和装饰器，同时有助于封装代码和创建特定作用域。

函数嵌套的核心思想：内部函数可以访问外部函数的变量和参数，但外部函数不能直接访问内部函数的变量。

函数嵌套基础示例

让我们从一个简单的函数嵌套示例开始：

基础嵌套函数示例
def outer_function(message):
    # 外部函数变量
    outer_var = "外部: "
    
    def inner_function():
        # 内部函数可以访问外部函数的变量
        print(outer_var + message)
    
    # 返回内部函数（不调用）
    return inner_function

# 创建闭包
my_func = outer_function("你好，世界！")
my_func()  # 输出: 外部: 你好，世界！

函数嵌套的核心概念

1. 作用域规则

Python使用LEGB规则解析变量名：

  • L - Local：当前函数内部作用域
  • E - Enclosing：外部嵌套函数的作用域
  • G - Global：模块全局作用域
  • B - Built-in：Python内置作用域

2. 闭包（Closures）

闭包是函数嵌套最重要的应用之一，它允许内部函数记住并访问外部函数的变量，即使外部函数已经执行完毕。

闭包计数器示例
def counter():
    count = 0
    
    def increment():
        nonlocal count  # 声明非局部变量
        count += 1
        return count
    
    return increment

# 创建计数器实例
my_counter = counter()
print(my_counter())  # 输出: 1
print(my_counter())  # 输出: 2
print(my_counter())  # 输出: 3

3. 装饰器（Decorators）

装饰器是Python中最强大的功能之一，它使用函数嵌套来修改或增强其他函数的行为。

简单装饰器示例
# 定义一个装饰器
def simple_decorator(func):
    def wrapper():
        print("函数执行前...")
        func()
        print("函数执行后...")
    return wrapper

# 使用装饰器
@simple_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

# 调用被装饰的函数
say_hello()
# 输出:
# 函数执行前...
# Hello!
# 函数执行后...

函数嵌套的实际应用

应用1：函数工厂

创建根据参数生成特定函数的工厂：

def power_factory(exponent):
    def power(base):
        return base ** exponent
    return power

square = power_factory(2)
cube = power_factory(3)

print(square(4))  # 16
print(cube(3))    # 27
应用2：缓存装饰器

提高函数性能的缓存机制：

def cache_decorator(func):
    cache = {}
    def wrapper(n):
        if n not in cache:
            cache[n] = func(n)
        return cache[n]
    return wrapper

@cache_decorator
def fibonacci(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

print(fibonacci(10))  # 快速计算
print(fibonacci(15))  # 使用缓存结果
应用3：权限验证

使用装饰器进行权限检查：

def requires_admin(func):
    def wrapper(user, *args, **kwargs):
        if user.is_admin:
            return func(user, *args, **kwargs)
        else:
            raise PermissionError("需要管理员权限")
    return wrapper

class User:
    def __init__(self, name, is_admin=False):
        self.name = name
        self.is_admin = is_admin

@requires_admin
def delete_database(user):
    print(f"{user.name}删除了数据库")

admin = User("Admin", True)
regular = User("普通用户")

delete_database(admin)  # 成功执行
delete_database(regular) # 抛出PermissionError

使用函数嵌套的注意事项

  • 合理使用nonlocal关键字修改外部作用域变量
  • 避免在多层嵌套中过度使用，保持代码可读性
  • 闭包可能导致内存泄漏，注意管理资源
  • 在装饰器中使用functools.wraps保留元数据
  • 理解变量作用域，避免意外覆盖

掌握函数嵌套的关键步骤

1. 从基础嵌套开始，理解作用域链

2. 实践闭包，掌握状态保持

3. 创建简单装饰器，理解函数增强

4. 尝试参数化装饰器和装饰器类

5. 在实际项目中应用函数嵌套解决具体问题