Python基础(11)之命名空间和作用域

本篇文章摘自 https://www.runoob.com/python3/python3-namespace-scope.html。

命名空间

命名空间（Namespace）是从名称到对象的映射，大部分的命名空间都是通过 Python 字典来实现的。
命名空间提供了在项目中避免名字冲突的一种方法。各个命名空间是独立的，没有任何关系的，所以一个命名空间中不能有重名，但不同的命名空间是可以重名而没有任何影响。
我们举一个计算机系统中的例子，一个文件夹(目录)中可以包含多个文件夹，每个文件夹中不能有相同的文件名，但不同文件夹中的文件可以重名。

一般有三种命名空间：

• 内置名称（built-in names），Python 语言内置的名称，比如函数名 abs、chr 和异常名称 BaseException、Exception 等等。
• 全局名称（global names），模块中定义的名称，记录了模块的变量，包括函数、类、其它导入的模块、模块级的变量和常量。
• 局部名称（local names），函数中定义的名称，记录了函数的变量，包括函数的参数和局部定义的变量。（类中定义的也是）

命名空间查找顺序

假设我们要使用变量 runoob，则 Python 的查找顺序为：局部的命名空间去 -> 全局命名空间 -> 内置命名空间；
如果找不到变量 runoob，它将放弃查找并引发一个 NameError 异常：

NameError: name 'runoob' is not defined。

命名空间的生命周期

命名空间的生命周期取决于对象的作用域，如果对象执行完成，则该命名空间的生命周期就结束。
因此，我们无法从外部命名空间访问内部命名空间的对象。

例：

# var1 是全局名称
var1 = 5
def some_func():
 
    # var2 是局部名称
    var2 = 6
    def some_inner_func():
 
        # var3 是内嵌的局部名称
        var3 = 7

如下图所示，相同的对象名称可以存在于多个命名空间中。

作用域

作用域就是一个 Python 程序可以直接访问命名空间的正文区域。
在一个 Python 程序中，直接访问一个变量，会从内到外依次访问所有的作用域直到找到，否则会报未定义的错误。
Python 中，程序的变量并不是在哪个位置都可以访问的，访问权限决定于这个变量是在哪里赋值的。
变量的作用域决定了在哪一部分程序可以访问哪个特定的变量名称。
Python 的作用域一共有 4 种，按查找顺序分别是：

• L（Local）：最内层，包含局部变量，比如一个函数/方法内部。
• E（Enclosing）：包含了非局部（non-local）也非全局（non-global）的变量。比如两个嵌套函数，一个函数（或类） A 里面又包含了一个函数 B ，那么对于 B 中的名称来说 A 中的作用域就为 nonlocal。
• G（Global）：当前脚本的最外层，比如当前模块的全局变量。
• B（Built-in）：包含了内建的变量/关键字等，最后被搜索。

在局部找不到，便会去局部外的局部找（例如闭包），再找不到就会去全局找，再者去内置中找。

g_count = 0  # 全局作用域
def outer():
    o_count = 1  # 闭包函数外的函数中
    def inner():
        i_count = 2  # 局部作用域

内置作用域是通过一个名为 builtin 的标准模块来实现的，但是这个变量名自身并没有放入内置作用域内，所以必须导入这个文件才能够使用它。在 Python3.0 中，可以使用以下的代码来查看到底预定义了哪些变量:

>>> import builtins
>>> dir(builtins)

Python 中只有模块（module），类（class）以及函数（def、lambda）才会引入新的作用域，其它的代码块（如 if/elif/else/、try/except、for/while 等）是不会引入新的作用域的，也就是说这些语句内定义的变量，外部也可以访问，如下代码：

>>> if True:
...  msg = 'I am from Runoob'
... 
>>> msg
'I am from Runoob'
>>> 

实例中 msg 变量定义在 if 语句块中，但外部还是可以访问的。
如果将 msg 定义在函数中，则它就是局部变量，外部不能访问：

>>> def test():
...     msg_inner = 'I am from Runoob'
... 
>>> msg_inner
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'msg_inner' is not defined
>>> 

从报错的信息上看，说明了 msg_inner 未定义，无法使用，因为它是局部变量，只有在函数内可以使用。

全局变量和局部变量

定义在函数内部的变量拥有一个局部作用域，定义在函数外的拥有全局作用域。
局部变量只能在其被声明的函数内部访问，而全局变量可以在整个程序范围内访问。调用函数时，所有在函数内声明的变量名称都将被加入到作用域中。如下实例：

total = 0  # 这是一个全局变量


# 可写函数说明
def sum(arg1, arg2):
    # 返回2个参数的和."
    total = arg1 + arg2  # total在这里是局部变量.
    print("函数内是局部变量 : ", total)
    return total


# 调用sum函数
sum(10, 20)
print("函数外是全局变量 : ", total)

'''
函数内是局部变量 :  30
函数外是全局变量 :  0
'''

global 和 nonlocal 关键字

当内部作用域想修改外部作用域的变量时，就要用到 global 和 nonlocal 关键字了。
以下实例修改全局变量 num：

num = 1


def fun1():
    global num  # 需要使用 global 关键字声明
    print(num)
    num = 123
    print(num)


fun1()
print(num)

'''
1
123
123
'''

如果要修改嵌套作用域（enclosing 作用域，外层非全局作用域）中的变量则需要 nonlocal 关键字了，如下实例：

def outer():
    num = 10

    def inner():
        nonlocal num  # nonlocal 关键字声明
        num = 100
        print(num)

    inner()
    print(num)


outer()

'''
100
100
'''

另外有一种特殊情况，假设下面这段代码被运行：

a = 10


def test():
    a = a + 1
    print(a)


test()

'''
Traceback (most recent call last):
  File ... in <module>
    test()
  File ..., line 5, in test
    a = a + 1
UnboundLocalError: local variable 'a' referenced before assignment
'''

错误信息为局部作用域引用错误，因为 test 函数中的 a 使用的是局部，未定义，无法修改。
修改 a 为全局变量，通过函数参数传递，可以正常执行输出结果为：

a = 10


def test(a):
    a = a + 1
    print(a)


test(a)

'''
11
'''

补充

作为一个从 Java 过来的人来说，Python 的作用域有点奇葩，作为开发者，只需要关注全局作用域和局部作用域就好了，全局作用域就是说白了模块（单个 .py 文件中）直接声明的变量。
比如有个 demo.py 的文件，含有以下代码：

var_global = 'global_var'  # 这个 var_global 就是全局作用域


def globalFunc():
    var_local = 'local_var'  # 这个就是局部变量


class demo():
    class_demo_local_var = 'class member'  # 这里也是局部变量

    def localFunc(self):
        var_locals = 'local_func_var'  # 这里也是局部变量

以上只是说明了全局变量仅仅是在 .py 文件中直接声明的变量叫全局变量，还有在 .py 文件中直接写的逻辑代码块中，也是全局变量，也就是说在 if/elif/else/、try/except、for/while 等逻辑代码块中的变量。

在介绍三种命令空间的时候，说查找变量的顺序为：局部的命名空间 -> 全局命名空间 -> 内置命名空间。
但是我理解的变量查找顺序为：当前域 -> 外部域(如果有) -> 全局域 -> 内置域。
光说没有什么概念，我们来一段代码就清楚了。
我们以 demo1.py 为例子：

global_var='this  var  on  global space' 
'''
global_var = 'this  var  on  global space'
'''
声明 global_var 这个位置就是全局域，也就是教程中所说的全局作用域，
同时它也是直接声明在文件中的，而不是声明在函数中或者类中的变量
'''


class demo():
    class_demo_local_var = 'class member'
    '''
    虽然 class_demo_local_var 在这里是局部变量，这个局部变量的域相对于 var_locals 是外部域，
    所以可以直接被var_locals所在的更小的局部域访问
    '''

    def localFunc(self):
        var_locals = 'local_func_var'
        '''
        这里也是局部变量，但是相对于 class_demo_local_var 变量，却是更小的域，
        因此 class_demo_local_var 所在的哪个域无法访问到当前域来
        '''
        print(self.class_demo_local_var)  # 到这里会查找当前域中有没有 class_demo_local_var 这个变量，然后再到相对于当前域的外部域去查找变量

还说到 Python 中变量的查找顺序：“在局部找不到，便会去局部外的局部找（例如闭包），再找不到就会去全局找，再去内置中找”。可以看一个具体的例子。
Python 的一个内建值 int，我们首先将其赋值为 0，然后定义一个函数 fun1()。

int = 0


def fun1():
    """
    函数 fun1() 的作用就是调用函数 fun2() 来打印 int 的值。
    调用函数 fun1()：
    """
    int = 1

    def fun2():
        int = 2
        print(int)

    fun2()


# 调用函数 fun1()
fun1()

'''
2
'''

因为 local 中的 int = 2，函数将其打印出来。
将函数 fun2() 中的 int = 2 删除：

int = 0


def fun1():
    """
    函数 fun1() 的作用就是调用函数 fun2() 来打印 int 的值。
    调用函数 fun1()：
    """
    int = 1

    def fun2():
        print(int)

    fun2()


# 调用函数 fun1()
fun1()

'''
1
'''

因为 local 找不到 int 的值，就去上一层 non-local 寻找，发现 int = 1 并打印。
而进一步删除函数 fun1() 中的 int = 1：

int = 0


def fun1():
    """
    函数 fun1() 的作用就是调用函数 fun2() 来打印 int 的值。
    调用函数 fun1()：
    """

    def fun2():
        print(int)

    fun2()


# 调用函数 fun1()
fun1()

'''
0
'''

因为 local 和 non-local 都找不到 int 的值，便去 global 中寻找，发现 int = 0 并打印。
若删除 int = 0 这一条件：

def fun1():
    """
    函数 fun1() 的作用就是调用函数 fun2() 来打印 int 的值。
    调用函数 fun1()：
    """

    def fun2():
        print(int)

    fun2()


# 调用函数 fun1()
fun1()

'''
<class 'int'>
'''

因为 local、non-local、global 中都没有 int 的值，便去 built-in 中寻找 int 的值，即：

print(int)

'''
<class 'int'>
'''