Python中令人頭疼的變量作用域問題，終于弄清楚了

來源：Python數(shù)據(jù)之道

作者：大奎  整理：陽哥

學(xué)習(xí)Python變量過程中，曾經(jīng)為變量混亂的作用域問題頭疼不已，全局變量、局部變量、自由變量傻傻分不清，今天來跟大家分享 Python變量作用域 的知識點(diǎn)，文章內(nèi)容由公眾號讀者 大奎 創(chuàng)作。

我們經(jīng)常聽說Python函數(shù)訪問局部變量、全局變量；在定義裝飾器的時(shí)候，還會使用自由變量。這些不同的變量是如何賦值、初始化、查找及修改的呢？各自的作用細(xì)則又是什么樣的呢？本篇嘗試解答這個問題。

Python中的變量名可以指代變量、函數(shù)、類、對象等。一般來說，每個對象都有一個變量名指向，更準(zhǔn)確說是 綁定。

作用域的必要性

為啥變量要有作用域呢？

我們在Python里遇到的內(nèi)置、局部、全局及自由變量，就是說變量的作用域。

語言區(qū)分作用域，是為了復(fù)用變量名。引入作用域，相當(dāng)于給變量劃分了各自的“隔離區(qū)”，在不同”隔離區(qū)“里，查找變量變得很容易。

正是因?yàn)橛辛俗饔糜颍覀冊诤瘮?shù)內(nèi)才可以隨意使用變量名，而不擔(dān)心其與全局變量、其他函數(shù)中的變量沖突——因?yàn)檫@兩個作用域是分割的。

BASIC語言只有全局變量，你能想象嗎？你在一個函數(shù)里命名的循環(huán)變量i，很可能跟全局變量沖突。寫起程序來，舉步維艱。且會導(dǎo)致很多修改、檢索問題，維護(hù)很困難。

Python變量定義的時(shí)間和空間

Python 有哪些作用域呢？

Python是動態(tài)類型語言，變量是在定義的時(shí)候賦值的。這句話的意思我們分以下幾個方面來理解：

• a = 1 賦值時(shí)定義變量
• from tools import cubie 導(dǎo)入時(shí)定義變量 cubie
• def fun():pass 定義函數(shù)，綁定變量fun
• def fun(name=None):pass 定義變量name為函數(shù)fun的形式變量（也是局部變量），同時(shí)定義函數(shù)，綁定便令fun
• class Car:pass  定義類，綁定類名Car

以上，我們弄清了變量定義的時(shí)刻，下面來看變量的作用域，也就是變量的活動空間怎么規(guī)定出來的。

變量作用域取決于其 定義位置。

• 定義在函數(shù)內(nèi)部的變量、定義在函數(shù)聲明中的形式參數(shù)，視為局部變量。
• 定義在 .py 文件內(nèi)的，且函數(shù)、類之外的變量，視為全局變量。
• 定義在函數(shù)中，嵌套函數(shù)外，且被嵌套函數(shù)引用的變量，視為自由變量。
• 定義在builtin中的變量，視為內(nèi)置變量。

面對如此復(fù)雜的四種變量作用域，用一個例子來說明它們的訪問規(guī)則。

LEGB規(guī)則

四個作用域遵循LEGB規(guī)則，讓我們用一個例子來說明。

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    def inner(i1,i2='i2'):
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

其輸出為 i1 i2 o1 o2 enclose global builtins

可見，在outer函數(shù)的嵌套函數(shù)inner中的輸出語句 print(i1,i2,o1,o2,e,g,b) 是本程序的重點(diǎn)。其具體執(zhí)行情況如下：

• print i1和i2，毫無疑問的局部變量。
• print o1和o2，本地作用域沒有，向上查找到outer函數(shù)形參。形參也為局部變量，所以該變量實(shí)際定義在outer函數(shù)內(nèi)，inner這個內(nèi)嵌函數(shù)外，而inner內(nèi)部引用了這個變量，所以視為自由變量。
• print e，本地作用域沒有，類似上例，視為自由變量。
• print g，本地作用域沒有，自由變量作用域（閉包）沒有，一直上溯到全局作用局找到。
• print b，本地作用域沒有，自由變量作用域（閉包）沒有，全局作用局沒有，一致上溯到內(nèi)置變量空間找到。

至此，LEGB規(guī)則呼之欲出：在本地空間尋找不到的變量，逐級向上級尋找。這里的LEGB分別指代Local，Enclose，Global和Builtin。

在函數(shù)中讀取和賦值全局變量，在內(nèi)嵌函數(shù)中讀取和賦值自由變量，會有一些不同的地方。

nonlocal 和 global

對變量名的賦值和引用，是兩種不同的情況：

• 賦值：創(chuàng)建一個變量或者修改。
• 引用：檢索其值。

以上兩者的差別，會導(dǎo)致我們在函數(shù)中：

• 賦值一個
• 全局變量：等于創(chuàng)建一個局部變量。
• 自由變量：等于創(chuàng)建一個局部變量。
• 引用：正常檢索其值。

我們修改上例中的inner函數(shù)為如下形式：

def inner(i1,i2='i2'):
    e = 'enclose'
    g = 'inner global'
    print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)

在嵌套函數(shù)內(nèi)，重新定義了g變量，其他語言一般理解這是重新賦值全局變量。但是我們看上條規(guī)則：在函數(shù)中，賦值一個全局變量時(shí)，等于創(chuàng)建一個局部變量。就是說此時(shí)的g已經(jīng)是局部變量了——在程序最后的 print(g) 語句輸出 global，而不是修改后的 inner global 也驗(yàn)證了以上規(guī)則。

完整代碼如下：

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    g = 'inner global'
    def inner(i1,i2='i2'):
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

print(g)

輸出結(jié)果如下：

i1 i2 o1 o2 enclose inner global builtins
global

不重新賦值，只是使用全局變量和自由變量，則沒有問題。

自由變量也是類似的情況。

為了解決局部作用域中賦值全局變量和自由變量導(dǎo)致的變成局部變量問題，Python引入關(guān)鍵字 global 和 nonlocal 。

def inner(i1,i2='i2'):
    global g
    nonlocal e
    g = 'inner global'
    e = 'inner enclose'

此時(shí)的賦值，則分別是對全局變量和自由變量的操作，而非新建局部變量。

完整代碼如下：

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    def inner(i1,i2='i2'):
        global g
        nonlocal e
        g = 'inner global'
        e = 'inner enclose'
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

print(g)

輸出結(jié)果如下：

i1 i2 o1 o2 inner enclose inner global builtins
inner global

總結(jié)

• Python的作用域分為四種，分別是局部、全局、自由和內(nèi)置；
• 定義變量的位置決定了變量的作用域；
• 作用域的查找遵守LEGB規(guī)則；
• 為了在局部作用域中修改全局變量和自由變量，引入了 global 關(guān)鍵字和 nonlocal 關(guān)鍵字。

作者簡介

鞏慶奎，大奎，對 Python、電子信息工程感興趣，Email：[email protected]