[Python] 클로저(Closure)와 내부 함수를 알아보자

클로저(Closure)

내부 함수

내부 함수란, 함수 안에서 정의되는 함수이다
예제를 통해 살펴보도록 하겠다.

def outer(name):
    def inner():
        print("Hello ", name)
    return inner


func = outer("Lee")
func() # >>> Hello  Lee

예제를 실행시키면, 먼저 func = outer("Lee")에서 outer함수가 실행된다.
이후, outer함수의 parameter인 name에 "Lee"이 할당되게 된다. 이 때, name은 외부 함수 outer에서 사용하는 지역 변수이다.
그 다음 내부 함수 inner가 정의되고, 이 내부 함수 inner를 반환하게 된다.
그렇다면, func = outer("Lee") 표현식에서 변수 func에는 어떤 것이 할당되어질까? 바로, outer함수의 return값인 inner함수이다.
즉, 변수 func는 내부 함수 inner를 가리키는 것이다.
이후 호출 연산자()와 함께 변수 func를 호출하면 내부 함수 inner가 호출되어 print("Hello ", name)구문이 실행되는 것이다.
이 과정을 정리하자면 다음과 같다.

1. 표현식 func = outer("Lee") 평가됨
2. outer함수의 parameter인 name에 "Lee"이 할당
3. 내부 함수 inner가 정의됨
4. 내부 함수 inner를 반환
5. 변수 func에 outer함수의 return값인 inner함수 할당됨
   -> 변수 func는 내부 함수 inner를 가리킴
6. 호출 연산자()와 함께 변수 func를 호출
7. 내부 함수 inner가 호출되어 print("Hello ", name)구문이 실행

그런데, outer함수는 표현식 func = outer("Lee") 평가되어 실행될 때 이미 종료되었지만, 이후 내부 함수 inner가 호출 될 때
outer함수가 가지고 있는 자원을 가지고 실행됨을 확인할 수 있다.
어떻게 이러한 현상이 발생할 수 있을까? 아래의 클로저(Closure) 항목에서 자세히 살펴보도록 하겠다.

클로저(Closure)

클로저(Closure)는, 함수가 종료되어도 자원을 사용할 수 있는 함수이다.
클로저가 되는 3가지 조건은 다음과 같다.

• 내부 함수여야만 한다
• 외부 함수의 변수를 참조해야 한다
• 외부 함수가 내부 함수를 반환해야 한다
  위의 3가지의 조건을 만족해야지만 클로저가 될 수 있다.

위의 예제에서의 inner함수는 이 조건을 만족한다. 하나씩 살펴보자면,

• 내부 함수여야만 한다
  = outer함수 안에 정의된 내부 함수이기 때문에 조건 만족
• 외부 함수의 변수를 참조해야 한다
  = name이라는 외부 함수 outer의 변수를 참조하기 때문에 조건 만족
• 외부 함수가 내부 함수를 반환해야 한다
  = return inner구문으로 외부 함수 outer가 내부 함수 inner를 반환하기에 조건 만족

따라서, 함수 inner는 클로저(Closure)이며, 외부 함수 outer가 종료되어도 outer함수가 가지고 있는 자원을 가지고 실행될 수 있는 것이다.

그렇다면, 외부 함수의 변수를 참조한 (예제에서는 name) 그 변수는 어디에 저장되는 것일까?
추가적인 예제와 함께 알아보도록 하겠다.

def hello(name, age, gender):
    def inner():
        print(name, ", hello!")
        print("age :", age)
        print("gender :", gender)

    return inner

closure = hello("Lee", 25, "male")
closure()

위의 예제와 마찬가지로 이 예제의 실행 과정을 차근차근 살펴보겠다.

1. 표현식 closure = hello("Lee", 25, "male") 평가됨
2. hello함수의 parameter인 name, age, gender에 "Lee", 25, "male"이 할당
3. 내부 함수 inner가 정의됨
4. 내부 함수 inner를 반환
5. 변수 closure에 hello함수의 return값인 inner함수 할당됨
   -> 변수 closure는 내부 함수 inner를 가리킴
6. 호출 연산자()와 함께 변수 closure를 호출
7. 내부 함수 inner가 호출되어 inner함수의 내부 구문이 실행

이러한 과정을 거쳐 다음과 같은 결과가 출력된다

Lee , hello!
age : 25
gender : male

위의 예제에서의 inner함수 또한 클로저(Closure)가 되는 3가지 조건을 만족한다. 하나씩 살펴보자면,

• 내부 함수여야만 한다
  = hello함수 안에 정의된 내부 함수이기 때문에 조건 만족
• 외부 함수의 변수를 참조해야 한다
  = name, age, gender의 외부 함수 hello의 변수를 참조하기 때문에 조건 만족
• 외부 함수가 내부 함수를 반환해야 한다
  = return inner구문으로 외부 함수 hello가 내부 함수 inner를 반환하기에 조건 만족

따라서, 함수 inner는 클로저(Closure)이며, 외부 함수 hello가 종료되어도 hello함수가 가지고 있는 자원을 가지고 실행될 수 있다.
이제, 함수 inner에서 외부 함수 hello의 변수를 참조한 변수들(name, age, gender)이 어디에 저장되는지 알아보도록 하겠다.
먼저, closure이라는 변수, 즉 클로저(Closure) 객체 내부를 dir()함수로 살펴보도록 하겠다.

>>> print(dir(closure))
['__annotations__', '__call__', '__class__', '__closure__', '__code__', '__defaults__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__get__', '__getattribute__', '__globals__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__kwdefaults__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__name__', '__ne__', '__new__', '__qualname__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__']

클로저(Closure) 객체 내부에 있는 메소드 중 __closure__이라는 메소드를 확인할 수 있다.
__closure__ 메소드를 실행하면 반환되는 값과, 해당 값의 type을 알아보자.

>>> print(closure.__closure__)
(<cell at 0x101de2700: int object at 0x1000f2c30>, <cell at 0x101de29a0: str object at 0x101e09770>, <cell at 0x101dfea30: str object at 0x101e099f0>)
>>> print(type(closure.__closure__))
<class 'tuple'>

__closure__ 메소드를 실행하면, tuple을 반환하는 것을 확인할 수 있다.
tuple 안에는 <cell at 0x101de2700: int object at 0x1000f2c30>와 같은 object들이 있는 것을 확인할 수 있는데, 우리는 위 예제에서
int형 변수 1개, str형 변수 2개를 참조했기 때문에 각 tuple의 값에 int object 1개, str object 2개가 있는 것을 확인할 수 있다.
이러한 각각의 요소들도 또 object이기 때문에, 다시 한번 dir()함수로 내부를 살펴보겠다.

>>> print(dir(closure.__closure__[0]))
['__class__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'cell_contents']

튜플의 첫 번째 요소인 <cell at 0x101de2700: int object at 0x1000f2c30> 객체에 dir()함수로 메소드를 살펴보았다.
여러 메소드들 중에서, cell_contents라는 메소드가 보일 것이다.
이 메소드를 통해서, 해당 객체가 담고있는 contents를 확인할 수 있는데, 직접 확인해보도록 하겠다.

>>> print(closure.__closure__[0].cell_contents)
25

위 예제에서 외부 함수 hello()에 인자로 넘겨준 25가 담겨있음을 확인할 수 있다.
이 과정을 통해 우리가 알 수 있는 것은 다음과 같다.

클로저(Closure) 객체 안에는 외부 함수의 데이터를 담고 있는 공간이 있으며,
이는 <클로저(Closure) 객체>.__closure__[<index>].cell_contents로 조회 가능하다.

그렇다면, 이러한 클로저(Closure)는 언제 사용될까?
사실, 클로저(Closure)는 전역 변수를 사용함으로써 대체가 가능하다. 우리가 살펴봤던 예제도 결국 예제 코드 위에
전역 변수를 선언하고, 해당 전역 변수를 함수의 인자로 넘겨주면 굳이 클로저를 사용하지 않고도 같은 결과를 얻을 수 있다.
그러나, 전역 변수는 naming이 겹치거나, scope가 겹치는 등의 문제를 발생시킬 수 있다.

따라서, 우리는 클로저(Closure)를 이용함으로써 함수마다의 scope 안에 변수들을 저장함으로 전역 변수를 사용하는 문제를 해결할 수 있다.

또한, generator와 decorator를 이해하는데 필수적인 요소이기 때문에 보다 클로저(Closure)와 친숙해질 필요가 있다.