【Python】15_関数の中の関数、クロージャ、スコープの解説

Pythonでは、関数の中にさらに別の関数を定義することができます。これを関数の中の関数やネストされた関数と呼びます。この機能は、スコープを管理するうえで非常に重要な概念です。

また、クロージャと呼ばれる仕組みを使って、関数の外からでも内部変数を保持することが可能です。

この記事では、関数の中の関数、クロージャ、そしてそれに関連するスコープについて解説します。

1. 関数の中の関数とは？

Pythonでは、関数の中に別の関数を定義することができます。このように、1つの関数の内部で定義された関数をネストされた関数または関数の中の関数と呼びます。

例: 関数の中の関数

def outer_function():
    print("This is the outer function.")
    
    def inner_function():
        print("This is the inner function.")
    
    inner_function()  # 内側の関数を呼び出し

結果

This is the outer function.
This is the inner function.

この例では、outer_function() の内部で inner_function() が定義されており、outer_function() 内でしか inner_function() を呼び出すことができません。内側の関数は、その親の関数内でのみ有効です。

2. クロージャとは？

**クロージャ（Closure）**とは、関数内に定義された関数が、その外部関数のスコープ内の変数にアクセスできるという機能のことです。クロージャは、外側の関数が終了しても、外部関数の変数の状態を保持し続けるという特徴があります。

例: クロージャ

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

closure = outer_function(10)
print(closure(5))  # 15

結果

この例では、outer_function() がクロージャを作成しています。inner_function() は外部の x にアクセスして、x + y の計算を行っています。outer_function(10) が終了した後でも、inner_function() は x の値を覚えており、closure(5) でその値を利用しています。

クロージャの特徴

外部関数の変数の状態を保持し続ける。
外部関数が終了した後も、内側の関数はその変数にアクセスできる。
高階関数の一部として、デコレーターやファクトリ関数などに活用される。

3. スコープとは？

スコープ（Scope）とは、変数が有効な範囲を指します。Pythonには4つのスコープレベルがあります。これをLEGB ルールと呼び、変数を参照する際にどのスコープを優先するかが決まっています。

Local: 現在の関数の内部で定義された変数。
Enclosing: 外側の関数のスコープ（ネストされた関数の場合）。
Global: モジュールレベルのスコープ（プログラム全体でアクセスできる）。
Built-in: Pythonに組み込まれた名前空間。

例: スコープの例

x = 10  # グローバルスコープ

def outer_function():
    x = 5  # Enclosingスコープ

    def inner_function():
        x = 3  # ローカルスコープ
        print(x)
    
    inner_function()

outer_function()  # 3
print(x)  # 10

結果

3
10

この例では、inner_function() 内で定義された x はローカルスコープの変数で、外部の x（5）やさらに外部のグローバル変数 x（10）とは異なります。PythonはLEGB ルールに従って、最も内側のスコープを優先的に探します。

4. クロージャの応用例

クロージャは、データの状態を関数内で保持したり、カプセル化したりするために非常に便利です。また、デコレーターやコールバック関数などにも利用されます。

4.1. データを保持するカウンタ

クロージャを使って、カウンタの値を保持する関数を作成できます。

例: カウンタのクロージャ

def make_counter():
    count = 0  # クロージャが保持する変数
    
    def counter():
        nonlocal count  # 外側のスコープの変数を修正
        count += 1
        return count
    
    return counter

counter1 = make_counter()
print(counter1())  # 1
print(counter1())  # 2
print(counter1())  # 3

結果

1
2
3

この例では、make_counter() 内の count 変数は、counter() 関数の中でアクセスおよび変更されます。クロージャを使うことで、count の状態が保持され、関数が何度呼び出されてもカウンタが増加していきます。

4.2. デコレーター

クロージャは、デコレーターの実装にもよく使われます。デコレーターは、関数の振る舞いを変更するために使用される高階関数です。

例: デコレーターの例

def decorator(func):
    def wrapper():
        print("関数の前に何かを行う")
        func()
        print("関数の後に何かを行う")
    return wrapper

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

say_hello()

結果

関数の前に何かを行う
Hello! 
関数の後に何かを行う

この例では、デコレーター my_decorator が say_hello() 関数をラップして、その前後に追加の処理を行っています。デコレーターは関数を引数に取るため、クロージャを使ってその処理を保持しています。

5. スコープのまとめと注意点

ローカルスコープは、関数の内部で定義された変数が管理されるスコープです。外部からアクセスすることはできません。
Enclosingスコープは、ネストされた関数が外側の関数の変数にアクセスできるスコープです。
グローバルスコープは、プログラム全体でアクセス可能な変数が管理されるスコープです。
ビルトインスコープは、Pythonに組み込まれた関数や変数が管理される最も外側のスコープです。

クロージャを使用する際、スコープの優先順位に注意し、必要に応じて nonlocal や global キーワードを使ってスコープの変数を適切に操作しましょう。

まとめ

関数の中の関数は、関数内で定義された関数のことで、親関数内でしか呼び出せません。
クロージャは、外部関数のスコープ内の変数を保持し、関数が終了した後でもその変数にアクセスできる仕組みです。これにより、状態を持つ関数を作成できます。
スコープは変数が有効な範囲を示し、Pythonは LEGB ルール に従って変数を探索します。

クロージャやスコープを理解することで、より複雑で強力なプログラムを作成できるようになります。デコレーターやカウンタなど、さまざまな実用的なパターンに応用することが可能です。