先生と生徒の会話形式で理解しよう

生徒

「Pythonで関数の中に関数を書けるって聞いたんですが、それって何のために使うんですか？」

先生

「それは『関数内関数』というもので、特定の処理を閉じ込めるときに便利です。そして、ある条件で『クロージャー』として活用できます。」

生徒

「クロージャーって何ですか？聞き慣れない言葉です。」

先生

「クロージャーとは、関数内で作った関数が、その外側の変数を覚えて使える仕組みのことです。これを使うと、変数を保ったまま関数を呼び出せます。」

生徒

「じゃあ、普通の変数とは何が違うんですか？」

先生

「そこはnonlocalというキーワードも関わってきます。具体的に説明しましょう。」

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1. クロージャー（Closure）とは？

Pythonのクロージャーとは、関数内で定義された関数が、外側の関数の変数を覚えて使える仕組みのことです。これにより、外側の関数が終了しても、その変数を保持したまま使えます。

例えば、カウンター機能を作るときに、クロージャーを使うとシンプルに書けます。

2. 関数内関数の基本

まずは関数の中に関数を書く例を見てみましょう。


def outer():
    def inner():
        print("これは内側の関数です")
    inner()

outer()


これは内側の関数です

このように、outer関数の中でinner関数を定義し、その中で処理を行えます。

3. クロージャーを使った変数の保持

クロージャーを使うと、外側の関数の変数を覚えて利用できます。


def make_counter():
    count = 0
    def counter():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    return counter

c = make_counter()
print(c())
print(c())
print(c())


1
2
3

make_counterが実行されるとcountという変数が作られますが、counter関数がそれを覚えているため、何度呼び出しても前回の値からカウントアップします。

4. nonlocalキーワードの役割

通常、関数の中で変数を書き換えると、それはローカル変数として扱われます。しかし、外側の関数の変数を変更したいときはnonlocalキーワードを使います。

上記の例で、nonlocal countを使わないと、エラーや意図しない動作になります。

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5. クロージャーの活用例

カウンター機能：前回の値を保持したまま呼び出せる
設定値の保持：外部から直接変更されたくない値を安全に管理
関数のカスタマイズ：生成時に渡した値を内部で使い続ける

例えば、特定の倍率で計算する関数を作ることもできます。


def multiplier(factor):
    def multiply(number):
        return number * factor
    return multiply

double = multiplier(2)
print(double(5))  # 10

6. クロージャーを使うときの注意点

変数の保持は便利ですが、意図しない値の変更に注意
複雑な処理になる場合はクラスを使う方がわかりやすい
nonlocalは外側関数のスコープにしか作用しない

クロージャーは小規模なデータ保持や設定値の管理に向いています。クラスほど大げさにしたくない場合に特に役立ちます。

まとめ

クロージャーの仕組みと関数内関数の理解を深めるまとめ

Pythonのクロージャーや関数内関数は、ふだんのプログラミングでは少しむずかしく見える概念ですが、ひとつひとつの特徴をていねいに見ていくと、なぜ便利なのかが自然に理解できます。まず、関数の中に関数を書くという考え方は、処理をひとまとまりにして整理するうえでとても役立ちます。特定の機能を外部から隠しながら内部だけで利用したいときや、外側の値に依存した小さな処理をまとめたいとき、関数内関数は自然な形で使えます。これにより、プログラム全体の見通しがよくなり、必要な部分だけを安全に扱うことができます。

そして、クロージャーとは、この関数内関数が「外側の変数を覚えたまま動く」という仕組みのことです。Pythonでは、外側の関数が終わった後でも、その関数の中にあった変数を保持しつづけられるため、特定の状態を記録しながら処理を続けたい場面でとても強力です。たとえば、繰り返し呼び出すごとに値が変わるカウンターなどは、クロージャーを使うことでクラスを作らずに簡潔に書くことができます。外側の値が毎回保持されるため、前回の結果を踏まえながら計算したい場面では特に役に立ちます。

また、クロージャーを扱ううえで欠かせないのがnonlocalというキーワードです。Pythonでは、関数の中で変数を変更すると、その変数は通常はローカル変数として扱われます。しかし、外側の関数の変数を変更したいときはnonlocalを宣言する必要があります。このしくみにより、外側のスコープの変数を書き換えることができ、クロージャーの動作を正しく成立させることができます。もしnonlocalを使わずに書いた場合、意図しないエラーが起きたり、期待した動作にならなかったりするため、クロージャーを扱う際には必ず押さえておきたいポイントです。

クロージャーは、ちょっとした設定値の保持や、関数の動作を部分的にカスタマイズしたい場面にも向いています。たとえば、特定の倍率で計算する関数を作りたいとき、クロージャーを使えば外側で受け取った倍率を内側の関数が覚え続けてくれるため、いつ呼び出しても同じ計算ルールで処理できます。これは、処理の内容を固定しつつも、コードの見通しを保ちながら柔軟に操作できる大きな利点です。

さらに、プログラムを安全に整理したいときにもクロージャーは役立ちます。外から勝手に触られたくない値を守りつつ、必要な形だけを利用できるため、設定値の保護や動作の一貫性を保ちたい場面にも活用できます。特に、小規模なデータ管理や簡易的な状態の保持を行いたいときには、クラスを使うほど大げさにしたくない場面でも手早く書けるという点がメリットになります。

クロージャーを理解するためのサンプルコード

ここでは、記事で扱った内容をふりかえりつつ、クロージャーとnonlocalの動きをまとめて確認できるサンプルコードを紹介します。


def create_counter(start):
    count = start
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    return increment

counter_a = create_counter(5)
print(counter_a())
print(counter_a())
print(counter_a())

counter_b = create_counter(10)
print(counter_b())
print(counter_b())

このコードでは、最初の値を外側の関数で設定し、その値を内側の関数が覚えて使い続ける形になっています。それぞれのカウンターは独立して動き、counter_aとcounter_bの値が混ざることはありません。これは、クロージャーが外側のスコープをしっかり保持しているからこそ実現できる動作です。状態が必要な処理を簡潔にまとめたいとき、クロージャーはとても実用的な仕組みとして役立ちます。

ただし、クロージャーは便利な反面、複雑なロジックを詰め込みすぎると、どの変数がどこで使われているのかがわかりにくくなる場合があります。そのため、大規模な処理や複雑な状態を扱いたい場合には、クラスを使う方がより適切なこともあります。用途に応じてクロージャーとクラスを使い分けることで、プログラム全体の見通しがよくなり、保守性も高まります。

クロージャーの仕組みを理解しておくことで、Pythonの関数の奥深さをより深く知ることができ、プログラミングの応用範囲が大きく広がります。外側の値を覚えたまま処理を続けるという特徴は、実践的な場面でも多く利用されるため、この機会にしっかり身につけておくと、今後の学習にも大いに役立つでしょう。

先生と生徒の振り返り会話

生徒「きょうのクロージャーの話で、関数が外側の変数を覚えているというところがすごく印象に残りました。意外と簡単に使えるんですね。」

先生「そうですね。仕組みを知るととても便利ですし、状態を持った関数を作りたいときに役立ちます。カウンターの例は典型的で、覚えておくといろんな場面で応用できますよ。」

生徒「nonlocalが必要な理由もやっと理解できました。あれがないと外側の変数が変わらないんですね。」

先生「その通りです。Pythonのスコープの仕組みと合わせて覚えておくと安心です。困ったときは、『外側の変数を変えたいならnonlocal』と考えるとわかりやすいですよ。」

生徒「ありがとうございます。クロージャーってむずかしいものだと思っていましたが、今日の例を見てだいぶ理解できました。これからもっと使いこなしてみます！」

先生「とても良い姿勢ですね。実際にコードを書きながら試すことで、さらに理解が深まりますよ。」