python作用域与命名空间

命名空间和作用域是两个密切相关的概念，它们共同决定了如何查找变量名，以及变量在程序中的可见性和生命周期。

1. 简介

1.1. 作用域

作用域是指程序中定义变量的区域，它决定了变量的可见范围以及它们的生命周期。在特定区域内定义的变量，不超出区域则变量可以被访问和使用，而超出这个区域，区域内定义的变量则不可被直接访问。

1.2. 命名空间

命名空间是用于存储和隔离标识符（如变量名、函数名等）的容器。每个命名空间都像一个字典，它将名字映射到相应的对象上。在Python中，每个作用域都拥有独立的命名空间，这允许相同的名字在不同的上下文中指向不同的对象，从而避免命名冲突。

1.3. 联系与区别

1.3.1. 例子

假设你在卧室（一个作用域，有一个命名空间）给手机充电，你可以使用卧室的插座（命名空间中的变量）。如果你需要使用客厅（另一个作用域，有另外一个命名空间）的插座（另一个命名空间的变量），你必须走到客厅去使用。在这个过程中，卧室和客厅的命名空间是独立的，但你的作用域（你的位置）决定了你可以直接访问哪些变量。

1.3.2. 说明

作用域决定了你在哪里可以使用哪些变量，而命名空间决定了这些变量是如何被隔离和存储的。通过上述例子，我们可以看到，卧室和客厅的命名空间是独立的，你的作用域（你的位置）决定了你可以直接访问哪些变量（命名空间中的东西）。

• 作用域：关注于程序中变量的可访问性，它是一个动态的概念，取决于程序的执行位置。
• 命名空间：关注于变量的存储和隔离，它是一个静态的概念，用于避免不同上下文中同名标识符的冲突。

2. 命名空间

命名空间是在不同时刻创建的，且拥有不同的生命周期。

2.1. 内置命名空间

内置名称的命名空间是在 Python 解释器启动时创建的，它包含了所有内建的函数和变量，例如abs()、print()、True和False。这个命名空间在整个解释器的生命周期内都是存在的，不会被删除。

2.2. 全局命名空间

模块的全局命名空间是在模块被读取时创建的。通常，这个命名空间会持续存在直到解释器退出。无论是从脚本文件中读取还是通过交互式解释器执行，所有的顶层代码都是__main__模块的一部分，__main__模块拥有自己的全局命名空间。值得注意的是，内置名称实际上也是模块的一部分，即builtins模块。

2.3. 局部命名空间

函数的局部命名空间是在函数被调用时创建的，并在函数执行完毕返回或在函数内部抛出未被捕获的异常时被删除。更准确地说，局部命名空间在函数执行结束后就不再被使用。每次函数的递归调用都会创建一个新的局部命名空间。

2.4. 类/对象命名空间

这些命名空间以属性集合的形式存在。类命名空间包含了类属性和类方法，而实例命名空间包含了实例属性和绑定到实例的方法。

3. 作用域

命名空间的作用域是Python代码中的一个特定文本区域，在这个区域内可以直接访问该命名空间中的变量和函数。当我们说“直接访问”，我们指的是在这个文本区域内，如果对一个名称进行非限定的引用（即不通过任何前缀或路径来指定名称的来源），Python会在包括该命名空间在内的范围内查找这个名称。简而言之，作用域决定了在特定代码段中可以访问哪些命名空间中的标识符。

3.1. 类别

3.1.1. 局部作用域

局部作用域是最小的作用域，通常在函数内部定义。在这个作用域中声明的变量只在该函数内部可见，被称为局部变量。当函数执行完毕后，这些局部变量就会消失，因为它们是随着函数调用的开始而创建，随着函数调用的结束而销毁的。

def my_function():
    local_var = "I am local"
    print(local_var)  # 可以访问 local_var

my_function()
# print(local_var)  # 这里会引发错误，因为 local_var 不在全局作用域中

3.1.2. 嵌套作用域

当一个函数定义在另一个函数内部时，就形成了嵌套作用域。在这种情况下，内部函数可以访问外部函数作用域中的变量，但外部函数不能访问内部函数作用域中的变量。这种特性使得内部函数可以继承外部函数的一些状态，而不影响全局作用域。

def outer_function():
    outer_var = "I am outer"

    def inner_function():
        inner_var = "I am inner"
        print(outer_var)  # 可以访问 outer_var
        print(inner_var)  # 可以访问 inner_var

    inner_function()
    # print(inner_var)  # 这里会引发错误，因为 inner_var 不在外部函数的作用域中

outer_function()
# print(inner_var)  # 这里会引发错误，因为 inner_var 不在全局作用域中
# print(outer_var)  # 这里会引发错误，因为 outer_var 不在全局作用域中

3.1.3. 全局作用域

全局作用域是最大的作用域，通常指在所有函数外部定义的变量。这些变量在整个程序中都是可见的，被称为全局变量。全局变量的生命周期是整个程序的执行过程，它们可以在程序的任何地方被访问和修改，除非它们被限定在某个局部作用域中。

global_var = "I am global"

def my_function():
    print(global_var)  # 可以访问 global_var

my_function()
print(global_var)

3.1.4. 内置作用域

内置作用域包含了Python解释器提供的一系列预定义的函数和变量，如len()、str()、range()等。这些内置函数和变量是Python语言的一部分，它们在任何Python程序中都是可用的，不需要额外的导入或定义。

print(len("Hello, World!"))  # 使用内置函数 len()
print(str(42))  # 使用内置函数 str()

3.2. 变量查找顺序

作用域虽然是被静态确定的，但会被动态使用。执行期间的任何时刻，都会有 3 或 4 个“命名空间可直接访问”的嵌套作用域：

• 最内层作用域，包含局部名称，并首先在其中进行搜索
• 那些外层闭包函数的作用域，包含“非局部、非全局”的名称，从最靠内层的那个作用域开始，逐层向外搜索。
• 倒数第二层作用域，包含当前模块的全局名称
• 最外层（最后搜索）的作用域，是内置名称的命名空间

3.3. global/nonlocal关键字

[[python-语句]]/语句

4. 示例

假设你的房子有多个房间（卧室、客厅、厨房），每个房间都有一些插座。这些插座可以看作是命名空间中的变量，而房间本身可以看作是作用域。

def house():
    def bedroom():
        plug = "bedroom plug"
        print("Charging in :", plug)

    def livingRoom():
        nonlocal plug
        plug = "living room phone"
        print("Charging in :", plug)

    def garden():
        global plug
        plug = "garden plug"
        print("Charging in garden:", plug)

    plug = "house plug"
    bedroom()
    print('-----------------------------')
    print("After bedroom charging:", plug)
    print('-----------------------------')
    livingRoom()
    print('-----------------------------')
    print("After living room charging:", plug)
    print('-----------------------------')
    garden()
    print('-----------------------------')
    print("After garden charging:", plug)
    print('-----------------------------')

house()
print("In global scope:", plug)

• 输出：

Charging in : bedroom plug
-----------------------------
After bedroom charging: house plug
-----------------------------
Charging in : living room phone
-----------------------------
After living room charging: living room phone
-----------------------------
Charging in garden: garden plug
-----------------------------
After garden charging: living room phone
-----------------------------
In global scope: garden plug

5. 参考

python3.13.0教程