Python 名称空间与作用域

这篇文章介绍 Python 的名称空间以及变量的作用域。

Python 的名称

Python 的名称（Name）是对象的一个标识（Identifier）。我们知道，在 Python 里面一切皆对象，名称就是用来引用对象的。说得有点玄乎，我们以例子说明。

例如，在a = 2这个语句中，2是个存储在内存中的一个对象，名称a则会引用2这个对象，“引用”的含义是指可以通过名称a来使用2这个对象。我们可以使用id()函数来获取对象的地址。

a = 2
print(id(2))
print(id(a))

输出：

43547988
43547988

可以看到，两都均指向同一个对象。我们再来看复杂一点的代码。

a = 2
print 'id(a) = %s' % id(a)
a = a + 1
print 'id(a) = %s' % id(a)
print 'id(3) = %s' % id(3)
b = 2
print 'id(2) = %s' % id(2)
print 'id(b) = %s' % id(b)

输出：

id(a) = 55606612
id(a) = 55606600
id(3) = 55606600
id(2) = 55606612
id(b) = 55606612

上述的代码发生了什么呢？我们以图1来说明。

图1：Python 的名称与对象

起初，名称a引用对象2；
然后，执行操作a = a + 1，这时对象3被创建，名称a引用对象3，所以id(a)和id(3)输出相同的地址;
最后，执行b = 2，名称b引用对象2，所以id(2)和id(b)输出相同的地址

这个例子也展示了 Python 在执行变量的赋值时，并不会重复创建一个对象的事实。名称采用动态绑定的机制使得 Python 更加高效，同一个名称可以引用不同类型的对象。

a = 5
a = 'hello world'
a = [1, 2, 3]

可以看到，a先后引用了数字，字符串，列表的类型的对象，这在 Python 中完全是合法的。

Python 的名称空间

了解 Python 的名称后，我们来看 Python 的名称空间。

名称空间是名称到对象的映射。

在 Python 中，名称空间采用字典来实现。Python 的名称空间包括：

• 内置名称空间，例如，内置名称空间包含 Python 的内置函数，如，abs()
• 模块名称空间，全局名称空间，在模块内定义的名称
• 局部名称空间，例如，在函数（function）或者类（class）被调用时，其内部包含的名称

不同的名称空间内的名称不会相互冲突，即是它们采用相同的名称。这也正是名称空间的作用。

内置名称空间在 Python 解释器启动时就创建了，直到 Python 解释器退出时内置名称空间才失效。这使得我们可以在程序的任何位置使用内置名称空间内的名称，例如，id()，print()等函数。
模块名称空间当模块被引用时创建，直到 Python 解释器退出时模块名称空间才失效。
函数名称空间在函数被调用时创建，函数返回后失效。

图2：Python 的名称空间

Python 变量的作用域

Python 的作用域（scope）决定了我们在程序中能否直接使用名称空间中的名称，直接访问的意思是指不需要在名称前添加名称空间的前缀。对于 Python 来说，至少存在以下三类的作用域。

• 函数作用域，包括了函数内的局部名称
• 模块作用域，包括了模块内的全局名称
• 内置作用域，包括了内置名称

当在函数内部使用一个名称时，为了查找出该名称所引用的对象，Python 解释器先在函数名称空间查找，接着在模块名称空间查找，最后在内置名称空间查找，直到寻找到该名称为止。
当函数 A 处于函数 B 的内部时，函数 A 的作用域处于函数 B 作用域之内。

例子

def outer_function():
    b = 20
    def inner_func():
        c = 30

a = 10

在这个例子中，名称a在全局名称空间中，名称b在函数outer_function的局部名称空间，名称c则在函数inner_func的局部名称空间。
当我们在函数inner_func时，c是个局部的名称，b是个非局部的名称，而a则是个全局的名称。在函数inner_func中，我们可以对c进行读取操作和赋值操作，而只能对b和a进行读取操作。当对b进行赋值时，一个新的名称将会被创建，这个新的名称处于inner_func函数局部名称空间中。对a进行赋值时也会在局部名称空间中创建一个新的名称。

我们使用以下的例子来说明。

def outer_function():
    a = 20

    def inner_function():
        a = 30
        print('a = %s' % a)

    inner_function()
    print('a = %s' % a)


a = 10
outer_function()
print('a = %s' % a)

输出：

a = 30
a = 20
a = 10

在函数inner_function中，我们对a进行了赋值操作，但函数outer_function中的a仍然为20，全局名称空间中的a则仍然为10。

为了在函数作用域中对全局的名称进行读取或者赋值操作，需要将这个名称声明为global。

def outer_function():
    global a
    a = 20

    def inner_function():
        global a
        a = 30
        print('a = %s' % a)

    inner_function()
    print('a = %s' % a)


a = 10
outer_function()
print('a = %s' % a)

输出：

a = 30
a = 30
a = 30

可以看到，通过global，我们在不同的作用域对全局名称a进行了赋值操作，最后在函数inner_function中对a的赋值也就是全局名称a的值。

参考资料

1. https://www.programiz.com/python-programming/namespace
2. https://docs.python.org/3/tutorial/classes.html
3. https://www.python-course.eu/namespaces.php
4. https://www.python-course.eu/global_vs_local_variables.php
5. https://www.programiz.com/python-programming/modules
6. https://code.tutsplus.com/tutorials/what-are-python-namespaces-and-why-are-they-needed–cms-28598
7. https://bytebaker.com/2008/07/30/python-namespaces/
8. https://stackoverflow.com/questions/3190706/nonlocal-keyword-in-python-2-x