[Python] 클로저(Closure)

파이썬 일급 함수와 클로저 기초 이해

파이썬은 일급 함수(First-Class Function)를 지원하는 언어로, 함수를 마치 하나의 객체처럼 다룰 수 있음.

이에 따라 클로저(Closure)라는 개념도 자연스럽게 등장함.

클로저는 함수가 종료된 후에도 함수의 자유 변수(free variable)를 기억하고 사용할 수 있게 하는 강력한 기능을 제공함.

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일급 함수란?

파이썬의 함수는 다음과 같은 조건을 만족하며 일급 객체로 취급됨:

1. 함수를 변수에 할당할 수 있음
2. 함수의 인수로 다른 함수를 전달할 수 있음
3. 함수의 반환값으로 다른 함수를 반환할 수 있음

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클로저(Closure)란?

클로저는 함수가 반환된 이후에도 반환 당시의 환경을 기억하고 있는 함수임. 특히, 클로저는 외부 함수의 변수와 상태를 저장하여 이후에도 이를 참조하거나 수정할 수 있음.

• 자유 변수(Free Variable): 클로저 내부 함수에서 사용되지만, 내부 함수 내에서 선언되지 않은 변수를 의미
• 클로저 조건:
  • 내부 함수가 외부 함수의 변수에 접근해야 함
  • 외부 함수의 실행이 끝나도 내부 함수가 반환되어 호출될 수 있어야 함

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클로저 기본 예제

다음은 클로저의 기본적인 사용법을 보여주는 예제임:

def closure_ex1():
    # 자유 변수 선언 (클로저 영역)
    series = []

    def average(v):
        series.append(v)
        print('inner >>> {} / {}'.format(series, len(series)))
        return sum(series) / len(series)

    return average

# 클로저 함수 생성
avg_closure1 = closure_ex1()

# 클로저 사용
print(avg_closure1(10))  # 10.0
print(avg_closure1(30))  # 20.0
print(avg_closure1(50))  # 30.0

결과 설명

1. closure_ex1 함수가 호출될 때, 내부에 정의된 average 함수가 반환됨
2. average 함수는 외부의 series라는 리스트(자유 변수)를 참조함
3. 반환된 average는 호출될 때마다 series 리스트에 값을 추가하고, 평균 값을 반환함
4. 외부 함수는 종료되었지만, 반환된 클로저 함수는 자유 변수를 계속 기억하고 사용함

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클로저 내부 구조 확인

클로저 함수의 내부를 살펴보면, 자유 변수를 어떻게 관리하고 있는지 확인 가능:

print(dir(avg_closure1))            # avg_closure1의 속성 확인
print(avg_closure1.__code__.co_freevars)  # 자유 변수 확인
print(avg_closure1.__closure__[0].cell_contents)  # 자유 변수의 현재 값 확인

출력 결과

• co_freevars: 클로저가 사용하는 자유 변수의 이름을 리스트로 반환 (['series'])
• __closure__: 자유 변수가 저장된 메모리 셀
• cell_contents: 자유 변수의 실제 값 확인 가능

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잘못된 클로저 사용

클로저를 사용할 때 주의해야 할 점도 있음. 아래는 잘못된 클로저 사용의 예제:

def closure_ex2():
    cnt = 0
    total = 0

    def average(v):
        cnt += 1  # 에러 발생: cnt가 내부에서 초기화되지 않았음
        total += v
        return total / cnt

    return average

avg_closure2 = closure_ex2()


# print(avg_closure2(10))  # UnboundLocalError 발생

원인 분석

• 내부 함수에서 cnt와 total 변수를 수정하려고 하지만, 파이썬은 이를 지역 변수로 간주함
• 따라서 수정 시 UnboundLocalError가 발생

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nonlocal 키워드를 이용한 클로저 수정

위 문제를 해결하려면, nonlocal 키워드를 사용하여 변수의 스코프를 명시적으로 지정해야 함:

def closure_ex3():
    cnt = 0
    total = 0

    def average(v):
        nonlocal cnt, total  # 외부 함수의 변수를 참조하도록 선언
        cnt += 1
        total += v
        return total / cnt

    return average

avg_closure3 = closure_ex3()

print(avg_closure3(15))  # 15.0
print(avg_closure3(35))  # 25.0
print(avg_closure3(40))  # 30.0

결과 설명

1. nonlocal 키워드로 cnt와 total을 외부 함수의 변수로 참조하도록 선언
2. 내부 함수에서 자유 변수의 값을 안전하게 수정 가능

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클로저의 활용 사례

1. 상태 유지: 함수 호출 간의 상태를 유지하는 데 사용
2. 데코레이터 구현: 동적으로 함수의 기능을 확장할 때 유용
3. 캡슐화: 외부에서 접근할 수 없는 private 변수를 구현할 때 사용

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정리

클로저는 파이썬의 강력한 기능 중 하나로, 함수가 종료된 이후에도 변수의 상태를 기억하고 사용할 수 있음.

올바른 클로저 사용법과 nonlocal 키워드의 활용을 이해하면 더 강력한 함수형 프로그래밍을 구현할 수 있음