關於lambda function的二三事
2022/03/18閱讀時間約 13 分鐘
最初在Python官網的tutorial文件中看到lambda function時，雖然文件中有幾個使用範例，也在網路上看了一些相關的教學文章，但實在是看不出來有什麼非要用這玩意兒的理由。或許就如官網文件中所說的，lambda function就只是syntactic sugar而已，所以也就沒特別在意，直到在設計Game of Life的輸入介面時，因為需要用到，兜兜轉轉，費了好些功夫和時間，總算對它的用途和用法有比較完整的認識。
在Game of Life的輸入介面中，最重要也最不容易處理的部分，應該是怎麼樣可以讓人很容易輸入原始的universe樣態。既然universe是棋盤狀的方格，而每個方格，也就是cell的狀態，不是生，就是死，那最好的方式，就是可以用滑鼠點選方格來改變狀態。要想做到這樣的功能，在Python官網文件提到的module中，turtle和tkinter，是看起來比較像是含有所需功能的兩個module。
turtle主要是用來繪圖，同時也提供了處理滑鼠事件及鍵盤事件所需的工具。工具看來很齊全，不過要拿來處理universe的輸入問題，可得花費一番功夫。首先，要先畫出棋盤狀的方格。然後當使用者點選某個方格時，要透過滑鼠事件偵測滑鼠游標的位置，並計算這個位置是在哪個方格，接著改變這方格裡面所有像素的顏色。當然啦，最後還必須紀錄這個方格的狀態。唉呦！實在是太繁雜了，想想都覺得煩，不想寫。
古聖先賢總是教訓我們：做人要甘願、要勤勞，不可以偷懶！可是說實在的，要是太認命，面對工作就一頭栽進去埋頭苦幹，從不多動動腦子，想想是不是有什麼辦法可以簡化工作、提昇效率，現在哪來那麼進步的科技？不說別的，先前寫「核心計算」部分，在判斷cell是不是位於universe邊界的時候，要不是看著一堆if不順眼，同時也覺得，要考慮那麼多不同的邊界狀況，實在是有夠麻煩的，又怎會去想辦法設計出更乾淨俐落又有效的方法來？所以啊，要多想想是不是有那種可以偷懶，但卻有效的辦法。
既然不想用turtle做，那用tkinter行不行？tkinter主要是用來設計GUI，所以像是按鈕、標籤、視窗、捲軸、選單等各種常見的元件，一應俱全。不過挺討厭的是，有些元件在不同的程式語言中，有不同的名稱，所以明明知道元件的長相，還得費一番功夫找出對應的名稱。唉！就不能大家都叫一樣的名稱嗎？鐵鎚就長那樣，你叫它榔頭，它還是長那樣；checkbox就長那樣，你叫它checkbutton，它還是長那樣，那幹嘛弄個不同的名稱作弄人？很煩咧！不過煩歸煩，還是要想想有沒有哪個元件合用。
在tkinter中，每個元件的長相、功能都是固定的，能夠調整的東西就那些，所以現在主要的問題是：universe是棋盤狀的方格，用滑鼠點選方格時，方格的狀態以及顏色會改變。有哪些元件可以做出這樣的效果？先前在考慮用turtle做時，是把universe看成是一大塊，然後在裡頭畫出小方格。很顯然的，對於tkinter的元件來說，這樣子的做法行不通，得想想是不是有其他辦法。
既然在一大塊裡頭畫出小方格的方式行不通，那用一堆小方格組成一大塊行不行？在寫「核心計算」部分時，就曾經想過類似的問題。那時候在想：是要把universe看成是點陣圖，圖裡頭的pixel就代表cell，還是要把所有代表cell的方格看成是一個一個獨立的物件，由這些獨立的物件拼湊組成universe？這兩種方式都可以達到目的，差別只在於程式好不好寫，還有處理的效率。後來之所以採用點陣圖的方式，是覺得這樣會比較好寫。那現在如果把方格看成是物件，透過滑鼠的點選可以改變顏色，還能同時處理資料，有沒有哪個tkinter的元件具備這樣的功能？嘿嘿嘿！那個網路上到處都有的「按鈕」，不就是個這樣子的存在嗎？！
tkinter的按鈕元件語法中，當按鈕被按下時，要觸發的事件是透過command這個parameter來指定，寫法是：command = callback_function，也就是說，當按鈕按下時，會去執行callback_function。這看起來挺單純的，網路上許多教學文章都能看到說明。不過啊不過，網路上絕大多數的教學文章，都是一個按鈕配上一個callback_function，所以顯得很單純。但是現在是要用一大堆的按鈕來組成universe，這可不能聽從古聖先賢做人要甘願、要勤勞、不可以偷懶的教訓，真的埋頭苦幹，一個一個按鈕、一個一個callback_function的寫一大堆。那要怎麼寫？當然是用迴圈加上list來寫囉！而lambda function也就在這兒展現它的存在感。
雖然lambda function在這裡展現了它的存在感，不過這過程挺不乾脆的，遮遮掩掩、躲躲藏藏，頗費了一番功夫和時間才撥雲見日，把它給看個通透。
一開始還不知道要用lambda function，所以程式寫成這樣：
def change_state(btn):btn['bg'] = 'red' if btn['bg']=='white' else 'white'for i in range(10):btn[i] = tk.Button(root_window, bg='white', command=change_state(btn[i]))
這段程式的目的，是產生10個白色的按鈕，當滑鼠點選按鈕時，那個被點選按鈕的顏色，就會由白色變為紅色，或由紅色變為白色。只是這樣子的寫法是錯的，在change_state中，會出現錯誤訊息：
TypeError: 'int' object is not subscriptable
想想也對，這btn[i]都還沒生出來，就把它當argument傳給change_state，如果這樣也可以，那就太神奇了。既然如此，那就等btn[i]生出來後，再來處理command，程式的迴圈部分就改成：
for i in range(10):btn[i] = tk.Button(root_window, bg='white')btn[i].configure(command=change_state(btn[i]))
改成這樣之後，錯誤訊息是消除了，不過生出來的所有按鈕，都是紅色的，而且不管怎麼點，顏色都不會變。
這到底是怎麼回事呢？實在是摸不著頭緒，後來想起曾在教學文章中有提到，可以用lambda function把callback_function的程式碼直接寫在command之後，而不用另外寫在def中，於是就把configure那行程式改成：
btn[i].configure(command=lambda: change_state(btn[i]))
天不從人願，這樣寫也不行。按鈕是生出來了，而且點選時顏色也會切換，可是不管點選哪個按鈕，切換顏色的，永遠是最後那個按鈕。
會不會是因為lambda function裡頭，呼叫change_state時，是用for迴圈的index來直接指定要改變狀態的是哪個按鈕，所以造成這樣的結果？改用parameter的寫法不知道行不行得通？試試看就知道！把lambda function改成這樣：
lambda n: change_state(btn[n])
結果不改還至少有個按鈕顏色會切換，改了之後，所有的按鈕都是白色的，不管怎麼按，就是不會變成紅色的。
唉！沒輒了，上網找答案。
原來，要這樣寫才對：
lambda n=i: change_state(btn[n])
這什麼語法啊，n=i？還有啊，那幾個錯誤的寫法，到底問題在哪？這樣子的疑問想要上網找解答，還真是考驗搜尋的功力。搜尋看似簡單，但要是不知道要用什麼關鍵字去找，那還真像是在荒郊野外找路一樣，充滿了天地茫茫，何方是歸處的感覺。
找了很久，試了很多關鍵字，每隔幾天想到新的方向、新的關鍵字就找一找，總算在stack overflow的討論串裡頭，看到了個比較清楚的解釋。好玩的是，那個討論串是在討論lambda function到底有什麼用，而不是在討論tkinter的按鈕寫法。難怪先前用tkinter相關的關鍵字搜尋，會找不到比較清楚完整的解釋，方向不對啊！
正確的寫法有了，那先前錯誤的寫法，到底錯在哪了？簡單來說，問題就出在對lambda function的運作方式不夠瞭解。
程式寫成lambda: change_state(btn[i])時，因為i是for迴圈的index，是在lambda function外面，是global variable，所以只有在lambda function被呼叫時，才會去存取i。在迴圈裡頭的程式碼，雖然造出了按鈕，但也就僅止於這樣，沒有去執行其他的什麼東西。而lambda function的部分，也就只是定義而已，要等到按鈕被按下，才會去執行。迴圈執行完建造按鈕的工作後，i的值是9，所以當按鈕被按下時，呼叫lambda function執行的，就是change_state(btn[9])。難怪不管按哪個按鈕，都是最後一個改變顏色。如果把lambda function改成lambda: change_state(btn[i-1])，那不管按哪個按鈕，都是倒數第二個改變顏色，可以進一步驗證這個解釋。
那後來把程式改成lambda n: change_state(btn[n])時，問題又出在哪？原來，因為n是lambda function的parameter，所以當按下按鈕時，n還是n，它一直就是n，不會變成argument。既然如此，不管按鈕怎麼按，根本就沒有任何argument傳給change_state，它只好把你的呼叫動作當空氣，已讀不回。
因為在定義lambda function時，並不會去存取global variable，所以在建造按鈕時，必須使用local variable來讓傳入change_state的按鈕，與當時迴圈index所指定的，是一致的。就因為是這樣，所以才會寫成lambda n=i: change_state(btn[n])。
呼！總算搞懂是怎麼回事了！可是，那個n=i又是怎麼回事？網路上找到的討論，都是直接就這麼寫、這麼用，沒有解釋。這個問題放在心中好一陣子，直到有天晚上心血來潮，想說在官網的文件找找看，說不定可以找到。
哈！還真的找到了！以lambda function為目標來找，在官網文件中的一些說明，不但解答了這個疑惑，連先前花了好多時間才在網路上找到解答的疑惑，都有很清楚的說明。這些文件包括：
- Programming FAQ: Why do lambdas defined in a loop with different values all return the same result?
- The Python Turorial: 4.8.6. Lambda Expressions
- The Python Language Reference: 6.14. Lambdas
n=i這個語法的說明，就躲在第三個文件裡頭，而且還偽裝得挺好的，乍看之下沒察覺，直到後來才發現。怎麼說呢？文件裡頭是這麼寫的：
lambda_expr ::= "lambda" [parameter_list] ":" expression
然後在最後一段裡頭提到，那個parameter lists的語法，就參考8.7. Function definitions裡頭的說明。看到那段話，突然間醒悟過來：n=i不就是呼叫function時，keyward argument的寫法嗎？都說是lambda “function”了，在呼叫時，argument的寫法，不就該和function一樣？！真是的，怎麼就一直沒想到咧？！
其實那幾份文件先前都看過，只是那時就只是為了要知道Python有哪些東西而看，並不是為了尋求疑問的解答而看，所以就有如走馬看花，有看沒有到。為了解答心中的疑惑而看文件，就好像打開了主動雷達，原本被動接收，看來平凡無奇不是那麼重要的內容，就變成字字珠璣，充滿了深意。想想這尋覓瞭解lambda function的過程，還真是「衆裏尋他千百度，驀然回首……」像極了愛情啊～～～
後記：準備結束這篇lambda function的隨筆時，想到還有個疑問還沒解決，就是寫成btn[i].configure(command=change_state(btn[i]))時，為什麼生出來的所有按鈕，都是紅色的，而且不管怎麼點，顏色都不會變？上網查了一下，原因是因為在command=change_state(btn[i])中，change_state(btn[i])是keyward argument，所以實際上指定給command的，是執行change_state(btn[i])之後的傳回值。在建造按鈕時，會執行一次change_state。而因為change_state並沒有任何實際上的傳回值，它傳回的是None，所以最後得到的結果是command=None。這也就是為什麼所有的按鈕都是紅色的，而且點選時沒任何反應的原因。
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