Python变量的作用域和命名空间

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  1. 作用域和命名空间
  2. global和nonlocal语句

作者：杨冬 欢迎转载，也请保留这段声明。谢谢！
出处：https://andyyoung01.github.io/ 或 http://andyyoung01.16mb.com/

Python中的命名空间（namespace）是标识符到对象的映射，通常以字典的形式表现出来。变量的作用域（scope）是Python程序的文本区域，在该区域某个命名空间中的名字可以被直接引用。赋值（assignment）操作不会拷贝，只是把标识符和对象做一个绑定。

作用域和命名空间

当一段代码在Python中执行时，它有三个命名空间：local，global和built-in。在执行过程中遇到了某个标识符时，Python首先尝试在local命名空间中查找它，如果没有找到，再在global命名空间中查找，如果还是没有找到，接着在built-in命名空间中查找。如果都不存在，则被认为是一个错误，会抛出一个“NameError”异常。如图所示：
{% asset_img 1.png “标识符在命名空间中的查找顺序”%}

命名空间都是有创建时间和生存期的。对于Python built-in names组成的命名空间，它在Python解释器启动的时候被创建，在解释器退出的时候才被删除；对于一个Python模块的global namespace，它在这个module被import的时候创建，在解释器退出的时候退出；对于一个函数的local namespace，它在函数每次被调用的时候创建，函数返回的时候被删除。下面看一个例子：

>>> def f(x):
    print ("global: ",globals())
    print ("Entry local: ",locals())
    y = x
    print ("Exit local: ",locals())

>>> z = 2
>>> globals()
{'__package__': None, 'f': <function f at 0x0000000000B76EA0>, '__doc__': None, '__name__': '__main__', 'z': 2, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>}
>>> f(z)
global:  {'__package__': None, 'f': <function f at 0x0000000000B76EA0>, '__doc__': None, '__name__': '__main__', 'z': 2, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>}
Entry local:  {'x': 2}
Exit local:  {'y': 2, 'x': 2}
>>>

可以看到，刚进入函数f(x)时，只有参数x在f的local命名空间，之后y加入了f的local命名空间。f的global命名空间与我们交互会话的global命名空间相同，因为f是在交互会话时定义的。
再来看一个引入模块的例子，假如有如下的文件：

scopetest.py
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"""scopetest: our scope test module"""
v = 6
def f(x):
    """f: scope test function"""
    print("global: ", list(globals().keys()))
    print("entry local:", locals())
    y = x
    w = v
    print("exit local:", locals())

为了使结果更清晰，下面使用了keys()方法只显示出globals方法返回字典的keys（标识符）：

>>> list(globals().keys())
['__name__', '__loader__', '__doc__', '__spec__', '__package__', '__builtins__']
>>> import scopetest
>>> z = 2
>>> list(globals().keys())
['__name__', '__loader__', '__doc__', 'z', '__spec__', '__package__', 'scopetest', '__builtins__']
>>> scopetest.f(z)
global:  ['__name__', '__loader__', '__doc__', '__file__', '__spec__', '__package__', 'f', '__builtins__', '__cached__', 'v']
entry local: {'x': 2}
exit local: {'y': 2, 'w': 6, 'x': 2}
>>>

可见，在交互式会话中，随着模块的import和变量z的定义，交互会话的global命名空间增加了scopetest和z标识符。在scopetest模块的f函数的global命名空间中，包含了方法f和v（但是并没有交互会话中的z）。

［总结］一个模块的引入，函数的调用，类的定义都会引入命名空间；函数中的再定义函数，类中的成员函数定义会在局部namespace中再次引入局部namespace。另外，赋值语句是起一个绑定或重绑定的作用（bind or rebind）。函数调用的参数传递是赋值，不是拷贝。

global和nonlocal语句

global语句用来声明一系列变量，这些变量会引用到当前模块的全局命名空间的变量（module－level namespace），如果该变量没有定义，也会在全局空间中添加这个变量。

global var1, var2

nonlocal语句（nonlocal是Python3.2引入的）

Python2.7中还没有nonlocal语句。nonlocal语句用来声明一系列的变量，这个声明会从声明处从里到外的namespace去搜寻这个变量（the nearest enclosing scope），直到模块的全局域（不包括全局域），找到了则引用这个命名空间的这个名字和对象，若作赋值操作，则直接改变外层域中的这个名字的绑定。nonlocal语句声明的变量不会 在当前scope的namespace字典中加入一个key-value对，如果在外层域中没有找到，则如下报错。

>>> SyntaxError: no binding for nonlocal 'spam' found

一个nonlocal和global的测试例子：

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def test():
    def do_local():
        spam = "local spam"
    def do_nonlocal():
        nonlocal spam    
        spam = "nonlocal spam"
    def do_global():
        global spam
        spam = "global spam"
    spam = "test spam"
    do_local()
    print("after local assignment:", spam)   #输出：test spam
    do_nonlocal()
    print("after nonlocal asssignment:", spam)   #输出：nonlocal spam
    do_global()
    print("after global assignment:", spam)    #输出：nonlocal spam
test()
print("in global scope:", spam)  #输出：global spam

第5行的语句：nonlocal spam 没有在函数do_nonlocal()的域中创建一个变量，而是去引用到了外层的，10行定义的spam。
第8行的global spam，在全局域中创建了一个name，9行将其绑定在字符串常量对象”global spam”上。

本文参考了http://www.cnblogs.com/livingintruth/p/3296010.html 这篇文章及“The Quick Python Book Second Edition”。

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