简述Python中变量作用域的规则

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介绍这一题目的目的是引出python中较为高级的话题—闭包和装饰器。

在下面的例子中，定义并测试一个函数，它读取两个变量的值:一个是局部变量a，是函数的参数； 另一个是变量b，这个函数没有定义它。

>>> def f1(a):
...     print(a)
...     print(b)
...
>>> f1(1)
1
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
  File "", line 3, in f1
NameError: name 'b' is not defined

出现此结果完全在意料范围内，因为我们压根从来没有定义过变量b。如果我们在调用函数f1前定义变量b，那么不会存在问题，因为此处的b是全局变量。

>>> b=2
>>> f1(1)
1
2

下面来一个较为特殊的例子

>>> b=2
>>> def f2(a):
...     print(a)
...     print(b)
...     b=3
...
>>> f2(1)
1
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
  File "", line 3, in f2
UnboundLocalError: local variable 'b' referenced before assignment

可以看到在赋值之前，第二个print失败了，提示局部变量b在赋值前被引用了。

实际上，Python 编译函数的定义体时，它判断 b 是局部变量，因为在函数中给它赋值了。生成的字节码证实了这种判断（后面会讨论），Python 会尝试从本地环境获取 b。后面调用f2(1)时，f2的定义体会获取并打印局部变量 a 的值，但是尝试获取局部变量 b 的值时，发现 b 没有绑定值。

这是Python的设计选择：Python不要求声明变量类型，但是默认在函数定义体中赋值的变量是局部变量。如果在函数中赋值时想让解释器把 b 当成全局变量，要使用 global 声明：

>>> b=2
>>> def f3(a):
...     global b
...     print(a)
...     print(b)
...     b=3
...
>>> f3(1)
1
2
>>> b
3
>>> f3(1)
1
3
>>> b=30
>>> b
30
>>> f3(1)
1
30

接下来，我们看一下f1和f2的字节码：

>>> dis(f1)
  2           0 LOAD_GLOBAL      0 (print)  >>> 1
              2 LOAD_FAST        0 (a)      >>> 2
              4 CALL_FUNCTION    1
              6 POP_TOP

  3           8 LOAD_GLOBAL      0 (print)
             10 LOAD_GLOBAL      1 (b)      >>> 3
             12 CALL_FUNCTION    1
             14 POP_TOP
             16 LOAD_CONST       0 (None)
             18 RETURN_VALUE
>>> dis(f2)
  2           0 LOAD_GLOBAL      0 (print)
              2 LOAD_FAST        0 (a)
              4 CALL_FUNCTION    1
              6 POP_TOP

  3           8 LOAD_GLOBAL      0 (print)
             10 LOAD_FAST        1 (b)      >>> 4
             12 CALL_FUNCTION    1
             14 POP_TOP

  4          16 LOAD_CONST       1 (3)
             18 STORE_FAST       1 (b)
             20 LOAD_CONST       0 (None)
             22 RETURN_VALUE

对于f1函数的反汇编：

1. LOAD_GLOBAL加载全局名称 print。
2. LOAD_FAST加载本地名称 a。
3. LOAD_GLOBAL加载全局名称 b。

对于f2函数的反汇编：
4. LOAD_FAST加载本地名称 b。这表明，编译器把 b 视作局部变量，即使在后面才为 b 赋值。

对于函数f3的反汇编如下图所示，可以看到变量b为全局变量。

>>> dis(f3)
  3          0 LOAD_GLOBAL      0 (print)
             2 LOAD_FAST        0 (a)
             4 CALL_FUNCTION    1
             6 POP_TOP

  4          8 LOAD_GLOBAL      0 (print)
            10 LOAD_GLOBAL      1 (b)  >>> ***
            12 CALL_FUNCTION    1
            14 POP_TOP

  5         16 LOAD_CONST       1 (3)
            18 STORE_GLOBAL     1 (b)
            20 LOAD_CONST       0 (None)
            22 RETURN_VALUE

至此，我们可以基本了解python函数中变量作用域的问题，这将为后面介绍的闭包和装饰器的学习打下基础。

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