파이썬 - 클로저 (Closure)

이번 강좌에서는 파이썬의 클로저(closure)에 대해서 알아 보겠습니다. 만약 파이썬 - 퍼스트클래스 함수 (First Class Function) 를 읽지 않으셨다면, 이 강좌를 보다 쉽게 이해하기 위해 먼저 읽으신 후에 이 강좌를 읽어 주시기 바랍니다.

클로저란 무엇일까요? 한글 위키백과에서 관련된 글을 찾을 수 없어서 영어 Wikipedia에서 검색해 봤습니다.

In programming languagesclosures (also lexical closures or function closures) are techniques for implementing lexically scoped name binding in languages with first-class functionsOperationally, a closure is a record storing a function[a] together with an environment:[1] a mapping associating each free variable of the function (variables that are used locally, but defined in an enclosing scope) with the value or reference to which the name was bound when the closure was created.[b] A closure—unlike a plain function—allows the function to access those captured variables through the closure's copies of their values or references, even when the function is invoked outside their scope.

번역을 하면 다음과 같습니다.

프로그래밍 언어에서의 클로저란 퍼스트클래스 함수를 지원하는 언어의 네임 바인딩 기술이다. 클로저는 어떤 함수를 함수 자신이 가지고 있는 환경과 함께 저장한 레코드이다. 또한 함수가 가진 프리변수(free variable)를 클로저가 만들어지는 당시의 값과 레퍼런스에 맵핑하여 주는 역할을 한다. 클로저는 일반 함수와는 다르게, 자신의 영역 밖에서 호출된 함수의 변수값과 레퍼런스를 복사하고 저장한 뒤, 이 캡처한 값들에 액세스할 수 있게 도와준다.

프리변수(free variable)란?

파이썬에서 프리변수는 코드블럭안에서 사용은 되었지만, 그 코드블럭안에서 정의되지 않은 변수를 뜻합니다.
프리변수에 대해서는 별도의 포스트에서 설명해 드리겠습니다.

흠... 조금은 알 듯 모 를듯, 좀 어렵습니다. ㅎㅎㅎ
그럼 설명만으로는 이해하기 어려운 파이썬의 클로저를 예제를 통하여 쉽게 이해해 보도록 하죠.

원하는 디렉터리에 closure.py라는 이름의 파일을 만들고 다음의 코드를 저장하여 주십시오.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(): #1
    message = 'Hi' #3

    def inner_func(): #4
        print message #6 

    return inner_func() #5

outer_func() #2

저장을 하셨다면, 터미널이나 커맨드창을 여신 후, 파일이 저장된 디렉터리로 이동하여 다음의 명령어로 프로그램을 실행하여 봅시다.

$ python closure.py
Hi

프로그램을 실행하니 "Hi"라는 문자가 출력되었습니다. 간단한 구문이지만 클로저를 설명하기 위해 "Hi"가 출력되기까지의 프로세스를 하나씩 확인해 보겠습니다.

  1.  #1에서 정의된 함수 outer_func를 #2에서 호출을 합니다. 물론 outer_func는 어떤 인수도 받지 않습니다.
  2.  outer_func가 실행된 후, 가장 먼저 하는 것은 messge 라는 변수에 'Hi'라는 문자열을 할당합니다. #3입니다.
  3.  #4번에서 inner_func를 정의하고 #5번에서 inner_func를 호출하며 동시에 리턴합니다.
  4.  #6에서 message 변수를 참조하여 출력합니다. 여기서 message는 inner_func 안에서 정의되지는 않았지만, inner_func 안에서 사용되기 때문에 프리변수라고 부릅니다.

"Hi"가 출력되기까지의 일련의 프로세스는 위와 같습니다. 여기까지는 이해하기 어려운 점이 하나도 없습니다. 그럼 다음 단계로 넘어가 보죠.

#5의 코드를 살짝 수정하고 실행하여 봅시다.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(): #1
    message = 'Hi' #3

    def inner_func(): #4
        print message #6 

    return inner_func #5 <-- ()를 지웠습니다.

outer_func() #2
$ python closure.py

아무것도 출력이 안되는 것을 볼 수 있습니다. #5에서 outer_func이 리턴할때 inner_func 함수를 실행하지않고, 함수 오브젝트를 리턴하였기 때문입니다.

그럼 이번에는 outer_func이 리턴하는 inner_func 오브젝트를 변수에 할당하여 보겠습니다.

#2의 코드를 수정하고 실행하여 봅시다.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(): #1
    message = 'Hi' #3

    def inner_func(): #4
        print message #6 

    return inner_func #5

my_func = outer_func() #2 <-- 리턴값인 inner_func를 변수에 할당합니다.
$ python closure.py

물론 이번에도 출력되는 값은 없습니다.

이번에는 my_func 변수에 정말 inner_func 함수가 할당되어 있는지 확인하겠습니다. #7행을 추가하고 실행하여 봅시다.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(): #1
    message = 'Hi' #3

    def inner_func(): #4
        print message #6

    return inner_func #5

my_func = outer_func() #2

print my_func #7 <-- 추가
$ python closure.py
<function inner_func at 0x1020dfed8>

정말 inner_func 함수가 할당되어 있네요. 그럼 my_func 변수를 이용해 inner_func 함수를 호출하여 볼까요?

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(): #1
    message = 'Hi' #3

    def inner_func(): #4
        print message #6

    return inner_func #5

my_func = outer_func() #2

my_func() #7
my_func() #8
my_func() #9
$ python closure.py
Hi
Hi
Hi

my_func()를 3번 실행하여 "Hi"를 3번 출력하였습니다. 그런데 뭔가 이상합니다. outer_func는 분명히 #2에서 호출된 후, 종료되었습니다. 그런데 #7, #8, #9에서 호출된 my_func(*여기서 my_func는 inner_func와 같다는 점을 기억하시기 바랍니다.) 함수가 outer_func 함수의 로컬변수인 message를 참조했다는 겁니다. 흠... 신기하네요... 어떻게 가능했을까요? 그 해답은 클로저입니다. 클로저는 함수의 프리변수 값을 어딘가에 저장한다고 했던것 같습니다. 도데체 어디에 저장을 하는 걸까요? 같이 그 비밀을 파해쳐 보시죠. ㅋ

일단 코드를 다음과 같이 수정한 후, 실행하여 보죠.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func():  #1
    message = 'Hi'  #3

    def inner_func():  #4
        print message  #6

    return inner_func  #5

my_func = outer_func()  #2

print my_func  #7
print
print dir(my_func)  #8
print
print type(my_func.__closure__) #9
print
print my_func.__closure__  #10
print
print my_func.__closure__[0]  #11
print
print dir(my_func.__closure__[0])  #12
print
print my_func.__closure__[0].cell_contents  #13
$ python closure.py
<function inner_func at 0x1019dfed8>

['__call__', '__class__', '__closure__', '__code__', '__defaults__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__', '__format__', '__get__', '__getattribute__', '__globals__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__name__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'func_closure', 'func_code', 'func_defaults', 'func_dict', 'func_doc', 'func_globals', 'func_name']

<type 'tuple'>

(<cell at 0x1019e14b0: str object at 0x1019ea788>,)

<cell at 0x1019e14b0: str object at 0x1019ea788>

['__class__', '__cmp__', '__delattr__', '__doc__', '__format__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'cell_contents']

Hi

출력된 결과를 하나씩 확인하겠습니다.

#7 결과: my_func 변수에 inner_func 함수 오브젝트가 할당되어 있는 것은 위에서도 확인을 하였습니다.

#8 결과: 클로저가 도데체 어디에 데이터를 숨기는지 dir() 명령어를 이용해 my_func의 네임스페이스를 확인해 봤습니다. 아하! __closure__ 라는 속성이 숨어 있는 것을 알았습니다.

#9 결과: __closure__는 무슨 타입인지 확인해 봤습니다. 타입은 튜플이라고 하네요.

#10 결과: 그 튜플안에 뭐가 들어 있는지 확인해 봤습니다. 아이템이 하나 들어있네요.

#11 결과: 튜플안에 첫 번째 아이템입니다. "cell"이라는 문자열 오브젝트네요.

#12 결과: 이 cell 오브젝트는 어떤 속성들을 가지고 있을까요? 여기에 뭔가 답이 있을 것 같습니다. "cell_contents"라는 속성이 있네요.

#13 결과: cell_contents에는 뭐가 들어 있는지 확인 해 보겠습니다. 'Hi'가 들어 있네요. :)

드디어 클로저가 어디에 데이터를 저장하는지 힘들게 알아냈습니다. ^^;;

여기서 부터 함수의 파라메터를 사용하면 더욱 더 재밌는 코드를 만들 수가 있습니다. 다음의 코드를 저장하고 실행해 봅시다.

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(tag):  #1
    text = 'Some text'  #5
    tag = tag  #6

    def inner_func():  #7
        print '<{0}>{1}<{0}>'.format(tag, text)  #9

    return inner_func  #8

h1_func = outer_func('h1')  #2
p_func = outer_func('p')  #3

h1_func()  #4
p_func()  #10
$ python closure.py
<h1>Some text<h1>
<p>Some text<p>

outer_func 함수 하나로 h1태그와 p태그로 문자열을 감싸는 함수를 만들어 봤습니다. 이번에는 태그안의 문자열을 컨트롤할 수 있는 함수를 만들어 봅시다

closure.py
# -*- coding: utf-8 -*-

def outer_func(tag):  #1
    tag = tag  #5

    def inner_func(txt):  #6
        text = txt  #8
        print '<{0}>{1}<{0}>'.format(tag, text)  #9

    return inner_func  #7

h1_func = outer_func('h1')  #2
p_func = outer_func('p')  #3

h1_func('h1태그의 안입니다.')  #4
p_func('p태그의 안입니다.')  #10
$ python closure.py
<h1>h1태그의 안입니다.<h1>
<p>p태그의 안입니다.<p>

클로저는 이렇게 하나의 함수로 여러가지의 함수를 간단히 만들어낼 수 있게도 해주며, 기존에 만들어진 함수나 모듈등을 수정하지 않고도 wrapper 함수를 이용해 커스터마이징할 수 있게 해주는 기특한 녀석입니다.


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