#看穿python-作用域问题

向霸天
50 阅读5分钟

所有的语言学习中，最重要的就是作用域问题。理解作用域，对于理解语言机制，理解应用，至关重要。

通常来说，一种语言，一般来说至少具有三种作用域，也是最常见的三种：

  • 全局作用域：哪里都可以访问，具有共享的作用。
  • 函数作用域：函数内部可以访问，但是在函数外部不可见。这保证了函数的独立性，从设计上来说，保证内聚的重要机制
  • 局部作用域：一般是指块级作用域。这种机制确保在一个函数，局部的内聚和独立性。对于函数代码的组织防止污染具有重要的作用。

全局和函数作用域

Python支持在.py文件中定义全局作用域变量。同时，这样定义的变量可以在本文件内任意地方访问，也支持通过模块的方式导入到其他文件中访问。这与c++等语言有比较大的差异，与js类似。

实际上，我们可以理解为，整个程序都是以模块的方式组织起来的。每一个全局变量，都挂载到了一个模块上，也可以理解为其命名空间。

在当前模块中，只有在全局空间，可以对其进行修改，例如：

# main.py
globalVar = 'aaa'

globalVar = 'bbb' # succsss

但是在局部作用域中，只能读，不能访问。

# main.py
def fun():
	print(globalVar) # bbb
	globalVar = 'ccccc'

实际上，在函数环境下， 对一个同名全局作用域进行赋值，创建了一个新的函数级变量。这来源于python的变量查找机制。在读取时，他会从内向外逐步查找。但在当前作用域没有找到时，他会进行创建一个新的变量。

那如何改变更加外层作用域的变量呢？

python给出的方案是声明：这又是python的另一种设计哲学了-声明优化隐含。

def fun():
	global globalVar
	nonlocal outerVal

实际上，这样的方式其实是声明了一个对外层变量的引用。从其实现上来说，函数变量实际上存储于函数内部的一个字典中。而global或nonlocal关键字，在编译时会被特殊处理，也许其内部是一个if语句，使这个变量的修改直接映射到全局作用域中的变量去。

而对于nonlocal，其实现机制类似，不过，他不能找到全局作用域的变量。他会沿着闭包链，一直向外查找 函数级变量。这一点上，其闭包机制与js有很大不同。js会直接捕获闭包范围内的引用并可以改变。但python机制有很大不同。当其赋值时，实际是创建了一个新的变量并对其进行重绑定。

def fun1():
	var out1 = 111

	def fun2():

		nonlocal out1

		print(out1)

		def fun3():

			nonlocal out1

作用域与闭包

闭包是很多语言都支持的现代编程语言核心概念。

python中的闭包与js类似，通过返回函数变量来得到。由于函数可以读取到外部的变量，因此这个函数在移动时，会将读取到的变量也随之带走。

闭包在实现时，实际将捕获到的 变量放入了一 个新的临时空间cell中。这个cell保持了对原来范围内变量的引用，从而保证原来的上下文被销毁后，引用的变量仍然存在。

没有局部作用域

很多同学在使用python时，一定会遇到一个奇怪的现象，跟普通的编程序员有较大不同，比如：

if true:
	val1 = 333
print(val1)

类似这样的，在局部作用域中初始化的变量，在后面出了这个局部作用域也可以访问，完全不会报错。而其他大部分语言并不支持这样做。

事实上，python根本没有局部作用域。python本质是动态的脚本语言。在后一个print语言中，报不报错，完全取决于在之前的执行过程中，有没有同域的名为val1的变量被创建。

如果是这样就会报错：

if false:
	val1 = 333
print(val1) # NameError

不过这样的设计，个人倒觉得往往并不是很友好，很容易出现局部变量未定义的错误。而使用try catch又显的难以控制和繁琐。倒不如，将这种会出现错误的方式直接从语言层面规避。

没有变量，只有标签

为什么会有这样一些奇奇怪怪问题呢？ 答案在于python本身的设计和实现机制。

正常情况下，在其他语言中，所谓的变量我们可以理解为一个盒子。盒子可以装东西，这个东西就是变量的值。

而你必须先有盒子，才能在里面装东西。这就是为什么，变量要先声明才能用。从其底层实现来说，变量名实际是一个内存地址，比如在c里面。内存地址可以指向一块分配的内存，也可以直接存某个数据。

但是在python中，实现要简单的多。python中没有盒子。所谓的变量名，本质是一个字符串。变量，实际上存在于global或者local的变量字典中。 变量名实际就是这个数据的key值。

image.png python对象，实际是一个PyObject类型的结构体。其中包含了管理这个对象所需的信息：引用计数、类型指针、实际的数据等。python环境负责管理了这些，因此，我们看到的对象、变量，属于构建在这个基础之上的一些语法规则。

变量赋值，实际上是在命名空间（一个字典中）查找这个名称是否存在，不管是否存在，都会直接写入进去。所谓NameError，实际就是这个字典的key不存在报出来的错误。

这就解释了，为什么区块级作用域不存在，if 中赋的值，在后面也能用：不管在任何地方，只要对这个变量赋了值，dict中就存在了，引用就不会报错。

nonlocal，global关键字，实际是告诉编译器，不要在local字典中去找，而要去其他地方找这个变量。

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