[Python] 클로저(Closure)

Aiden·2022년 2월 21일

내부함수(Inner Function)

클로저에 대해 이해하기 위해서 내부 함수에 대해 간단히 살펴보고 넘어가자.

📌 함수 안에 정의되는 함수

내부 함수는 말 그대로 함수 안에서 정의되는 함수이다.

# greetings 함수 생성
def greetings(name):

	# inner 내부 함수 생성
	def inner():
    	print("Hello {}!".format(name))
    
    return inner

이전 일급객체 포스팅에서 다루었던 코드 예시인데,
name 을 파라미터로 받는 greetings 함수 내에서 인사말을 출력하는 inner 함수가 정의되고 있는 모습을 확인할 수 있다.
최종적으로 greetings 함수는 내부에서 정의된 inner 함수를 return 하고 있다.

func = greetings("Python")

따라서 greetings 를 호출해 변수에 할당하고 이를 출력하면,

print(func)

# Result
<function greetings.<locals>.inner at 0x000001E6B18C1040>

변수에는 greetings 의 return 값인 inner 함수 객체가 담기게 된다.

func()

# result
Hello Python!

그리고 변수를 메서드로 호출하게 되면, inner 함수가 호출되고 정상적으로 결과가 출력되고 있음을 확인할 수 있다.

하지만, 여기서 의문점이 생길 수 있다.
greetings 함수는 "Python" 파라미터와 함께 호출된 뒤 종료되었는데, func 는 어떻게 "Python" 파라미터를 기억하고 출력해낼 수 있었을까?

실제로 func 에는 inner 함수가 담겨있었으며, inner 함수는 어떠한 파라미터도 받지 않았는데 말이다.

이는 클로저로 인해 가능해진다.

클로저(Closure)

클로저의 정의는 다음과 같다.

📌 반환된 내부함수가 자신이 선언되었을 때의 환경을 기억하고, 외부함수 밖에서 호출되더라도 그 환경에 다시 접근할 수 있는 함수

즉, 자신이 선언되었을 때의 환경을 기억하고 있다가, 이후에 환경 밖에서 호출되었을 때도 다시 그 환경에 접근할 수 있는 함수가 바로 클로저이다.

위에서 이야기하는 환경 이란, 함수의 Scope 를 의미하는데, 이에 대해 알아보기 위해 함수의 Scope 에 대해 간단히 복습해보자.

def outer():
	x = 100
    
	def inner():
    	print(x)
    
    inner()
    
outer()

# Result
100

outer 함수 내에서 inner 함수를 호출하고 있는 내부 함수의 예시코드이다.

outer 함수 외부는 전역 Scope, 내부는 지역 Scope 가 되며, inner 함수는 outer 함수 지역 Scope 내의 중첩된(nested) 지역 Scope 를 생성한다.

Global Scope {
	outer()  # 1. Local Scope {
    	x
    	inner()  # 2. Local Scope {
        }
    }
}

이 때, inner 함수는 outer 함수의 내부에 선언되어 있기 때문에 inner 함수의 상위 Scope 는 outer 함수가 되고, 따라서 inner 함수는 x 에 접근할 수 있다. 하위 Scope 에서는 상위 Scope 에 접근할 수 있기 때문이다.

✅ 반대로, 상위 Scope 에서는 하위 Scope 로 접근할 수 없다.

Global ---> #1. Local Scope ❌
#1. Local Scope ---> #2. Local Scope ❌

추가적으로, 파이썬 인터프리터가 Scope 를 이동하며 변수에 접근하는 과정은 다음과 같다.

📌 Python Interpreter Variable Access

ⅰ)  inner 의 Scope 에서 x 를 탐색
ⅱ)  탐색 실패
ⅲ)  outer 의 Scope 에서 x 를 탐색
ⅳ)  탐색 성공

이번엔 클로저를 활용한 예시를 보자.

def outer():
	x = 100
    
    def inner():
    	print(x)
        
    return inner
    
func = outer()

func()

# Result
100

outer 함수가 inner 함수를 호출하지 않고 return 하는 예시 코드이다.

func = outer() 에서 outer 함수는 inner 함수를 return 하고 종료되었다. 따라서, outer 함수 Scope 내의 변수 x 는 제거되었고 더 이상 접근할 수 없어야 한다. 함수가 종료되면 해당 함수의 지역 Scope 도 함께 제거되기 때문이다.

하지만, 그 다음 func() 구문을 통해 outer 함수 Scope 내에 위치한 변수 x 가 정상적으로 참조되었고, 결과값도 올바르게 출력되었음을 확인할 수 있다.

즉, 클로저는 자신이 선언되었을 때의 환경, Scope 를 기억하고 있다가 외부 함수 밖에서 호출되었을 때 기억해놓은 Scope 에 다시 접근할 수 있음을 알 수 있다.

예시에서는 inner 함수가 outer 함수 내부에서 선언되면서 outer 함수의 지역변수 x 를 포함하여 Scope 를 기억하게 되고,
outer 함수가 종료되었다고 하더라도 이와 관계없이 기억해놓은 outer 함수의 Scope 에 다시 접근함으로서 지역 변수 x 를 참조할 수 있게 된 것이다.

정리

결론적으로 클로저는 내부함수가 반환되는 경우에 자신이 선언되었을 때의 환경인 Scope를 기억하고 있다가, 외부함수 밖에서 호출되면 해당 Scope 에 다시 접근할 수 있는 함수이다.

이 때, 클로저에 의해 참조되는 외부함수 지역 Scope 내의 지역 변수 x 를 자유변수라고 부른다.
클로저(Closure)라는 이름이 붙여지게 된 건, 이러한 자유변수에 함수가 닫혀있다(closed)는 뜻으로, 자유변수에 엮여있는 함수이기 때문이다.

클로저의 조건

앞서 살펴본 클로저의 예시 코드를 토대로, 클로저를 활용할 수 있는 조건들을 정리해보자면 다음과 같다.

📌 Conditions

내부 함수

외부 함수의 지역 변수를 참조

외부 함수가 내부 함수를 Return

클로저는 내부 함수보다 외부 함수가 먼저 종료되었을 때, 만약 내부 함수가 외부 함수 Scope 내의 변수 혹은 함수 선언 등의 정보를 참조하고 있는 한 유효하다.
따라서, 클로저는 내부 함수여야 하며 외부 함수의 정보를 참조하여야 하는 것이다.

즉 위와 같은 조건들이 갖추어졌을 때 클로저를 활용할 수 있고, 클로저를 활용하게 되면 외부 함수가 종료되었어도 이를 참조하는 내부 함수가 존재하는 경우 계속 유지된다.

클로저의 활용

그렇다면 클로저를 사용하는 이유는 무엇일까?

우선, 클로저는 전역 변수의 사용을 억제할 수 있다.
특정한 상태를 기억하고자 하는 경우에 우리는 상태값을 전역 변수에 담아 유지하는 방법을 채택할 수 있는데, 이 때 의도하지 않은 실수로 인해 값이 변경될 우려가 있고 다른 변수와 충돌하는 일이 발생할 가능성이 있다.

하지만 상태값을 클로저를 활용하여 저장하게 된다면 비교적 안전하게 값을 유지하고 활용할 수 있게 될 것이다.

비슷한 맥락으로, Private 접근 제어자의 효과를 볼 수도 있다.
전역 변수를 활용하는 경우에는 의도하지 않은 엉뚱한 장소에서도 접근이 가능하기 때문에 예상하지 못한 부작용이 발생할 가능성이 있다.

하지만 클로저를 활용하게 되면, 변수를 사용하여야 하는 경우에만 접근할 수 있도록 외부로부터의 접근을 제한하는 효과를 간접적으로 얻을 수 있게 된다.

이는 함수가 메모리에서 사라진다고 하더라도 클로저를 통해 값을 유지할 수 있기 때문에 얻을 수 있는 이점이다.

이번 포스팅에서는 이렇게 내부 함수와 클로저에 대해 살펴보았고, 그 과정에서 Local Scope 와 global Scope 에 대한 복습도 할 수 있었다.

다음 포스팅부터는 이터레이터와 제너레이터, 파이썬의 고급 기능인 데코레이터까지 차근차근 알아볼 예정이다.