pythonの関数内での関数の定義について

質問

Python Cookbook 3rd の２章６節の内容でわからないことがあります。

コード
import re
#サンプルテキスト
text = 'UPPER PYTHON, lower python, Mixed Python'

#正規表現で文字のケースに合わせて置換する
def matchcase(word)
.....def replace(m):
..........text = m.group()
..........if text.isupper():
...............return word.upper()
..........elif text.islower()
...............return word.lower()
..........elif text[0].isupper():
...............return word.capitalize()
..........else:
..............return word
.....return replace

#実行分
re.sub('python', matches('snake'), text, flags=re.IGNORECASE)

#実行結果
>>>'UPPER SNAKE, lower snake, Mixed Snake'

このサンプルコードのmatchcase内のreplace関数に引数を渡していないと思うのですが、どのような仕組みでこのコードは動いているのでしょうか？
m.group()とあるので実行分のre.sub(...)でのマッチしたという情報がreplace(m)のmに渡されているだろうとは思うのですが、なぜ引数を指定せずにそのようなことが起こるのかが理解できません。

何卒よろしくお願いします。

回答No.1

cametan_42 · ベストアンサー

あー、うん、どう言えばいいんだろ(笑)。
Lisp経験者とかなら「あー、これは関数を返す関数だから」とかすぐ分かるんですが(笑)。
最近よく出る(例えばJava8で出て来た新機能)、「クロージャ」ってのがこれなんです。

つまり、関数matchcaseってのは中で定義された「ローカル関数」replace、ってのを最後に「丸ごと」返してますよね(return replace)。これはmatchcaseが「関数を返す関数だ」って事なんです。
関数が計算した値を返してるわけじゃない、関数「そのものを」返してるんです。大事な事なんで二回言いました。

ちょっと簡単な例を挙げてみましょう。次のような関数を定義してみます。

def foo(x):
　　def bar(y):
　　　　return x * y
　　return bar

関数fooは引数xを一つ取ります。内部にローカル関数barを定義してて、barは「xとは全く関係ない」別の引数yを取ります。つまり、ローカル関数barはfooが求める引数xを「引数としては使わない」わけですよね。全く別の引数yを求めていて、しかもbarはxとyの積を計算します。
実際、fooに2つの引数、例えば2×3を計算させたいとして、2と3を与えるとエラーを返すわけです。

>>> foo(2, 3)
Traceback (most recent call last):
　File "<pyshell#19>", line 1, in <module>
　　foo(2, 3)
TypeError: foo() takes 1 positional argument but 2 were given

当然一つの引数しかfooは取れないので、ここでは2を与えてみます。

>>> foo(2)
<function foo.<locals>.bar at 0x027E2B28>

fooは「関数を返す関数」なんで、なんかの計算した値は返してくれません。その代わり変わったリテラルを返してきます。日本語で言うと要するに

「関数fooはローカル定義された関数barを返しました」

的な一種のメッセージを返してくるわけです。これが実はクロージャなんですね。こう言う表現で返してくる。
さて、じゃあ適当に、変数varにfoo(2)を代入してみましょう。

>>> var = foo(2)
>>>

何も返ってきませんね。まあ、これは単純にvarに代入しただけなんで当然です。
varの中身を見てみましょうか。

>>> var
<function foo.<locals>.bar at 0x027E2B70>

はい、さっきと同じような「ローカル関数barですよ」と言う一種のメッセージが返ってきました。
さて、これがクロージャの面白いトコなんですが、varは変数です。ただし、中に入ってる「値」ってのはどうやら「barと言うfoo内部のローカル関数らしい」って事が分かっています。つまり、原理的にはvarは「関数と言う機能を持ってるんじゃないか」って事なんですよ。あれ?
実はこの推論は正しく、「クロージャを代入された変数varは関数として振る舞う」んです。var自体は変数なのに?実はそうなんですね。
ここで、変数varに引数3を与えてみます。「動く筈ねぇじゃねぇか」って思ってもさにあらず。

>>> var(3)
6

なんと、変数varに「引数3を与えたら」6が返ってきました。ビックリですね(笑)。

つまり、どういう事か、と言うと、関数fooは引数を一つ取って、ローカル関数barを返す関数として定義しました。変数varは「引数2を取った関数foo」を保持したままの(言い換えると引数2を取った状態でローカル関数bar自体を剥き出しにした)状態です。今、変数varはつまり、「引数待ちのbar」、言い換えると、一種計算途中のまま「待機状態」だったわけで、そこに新しく「barに与える為の」引数をvarを介して与えると「止まってた計算が動き出す」ようなカンジになるんですね。

これがクロージャ、で、今、JavaScript等の比較的新しい言語には搭載されてる機能です。
ついでに言うと、最近Java8にも入ってきて、多くの古典的なJavaユーザーを混乱に叩き込んでる機能です(笑)。

お礼

返事が遅くなり申し訳ございません。
どうも、ありがとうございます。
大変ご丁寧な解説で、すぐに理解することができました。
回答者様がいなければ、この謎を解くために数時間浪費して、最後には爆発していたと思います。本当にありがとうございます！！！