07.python函数作用域global、nonlocal、LEGB

函数作用域

作用域

一个标识符的课件范围，这就是标识符的作用域，一般常说的是变量的作用域

def foo():
    x = 100
print(x) # 可以访问到吗

上例中x不可以访问到，会抛出异常（NameError: name ‘x’ is not defined），原因在于函数是一个封装，它会开辟一个作用域，x变量被限制在这个作用域中，所以在函数外部x变量不可见。

注意：每一个函数都会开辟一个作用域

作用域分类

  • 全局作用域

    • 在整个程序运行环境中都可见

    • 全局作用域中的变量称为全局变量global

  • 局部作用域

    • 在函数、类等内部可见

    • 局部作用域中的变量称为局部变量，其使用范围不能超过其所在局部作用域

    • 也称为本地作用域local

# 局部变量
def fn1():
    x = 1 # 局部作用域，x为局部变量，使用范围在fn1内
def fn2():
    print(x) # x能打印吗？可见吗？为什么？
print(x) # x能打印吗？可见吗？为什么？

# 全局变量
x = 5 # 全局变量，也在函数外定义
def foo():
    print(x) # 可见吗？为什么？
foo()

  • 一般来讲外部作用域变量可以在函数内部可见，可以使用

  • 反过来，函数内部的局部变量，不能在函数外部看到

函数嵌套

在一个函数中定义了另外一个函数

def outer():
    def inner():
        print("inner")
    inner()
    print("outer")
outer() # 可以吗？
inner() # 可以吗？

内部函数inner不能在外部直接使用，会抛NameError异常，因为它在函数外部不可见。

其实，inner不过就是一个标识符，就是一个函数outer内部定义的变量而已。

嵌套结构的作用域

对比下面嵌套结构，代码执行的效果

def outer1():
    o = 65
    def inner():
        print('inner', o, chr(o))
    inner()
    print('outer', o, chr(o))
outer1() # 执行后，打印什么
def outer2():
    o = 65
    def inner():
        o = 97
        print('inner', o, chr(o))
    inner()
    print('outer', o, chr(o))
outer2() # 执行后，打印什么

从执行的结果来看：

  • 外层变量在内部作用域可见

  • 内层作用域inner中，如果定义了 o = 97 ，相当于在当前函数inner作用域中重新定义了一个新的

  • 变量o，但是，这个o并不能覆盖掉外部作用域outer2中的变量。只不过对于inner函数来说，其只能可见自己作用域中定义的变量o了

内建函数 函数签名 说明
chr chr(i) 通过unicode编码返回对应字符
ord ord(c) 获得字符对应的unicode 
print(ord('中'), hex(ord('中')), '中'.encode(),'中'.encode('gbk'))
chr(20013) # '中'
chr(97)

一个赋值语句的问题

再看下面左右2个函数

左边函数 右边函数
正常执行，函数外部的变量在函数内部可见 执行错误吗，为什么？难道函数内部又不可见了？y = x + 1可以正确执行，可是为什么x += 1却不能正确执行？

仔细观察函数2返回的错误指向x += 1，原因是什么呢？

x = 5
def foo():
    x += 1
foo() # 报错如下

原因分析：

  • x += 1 其实是 x = x + 1

  • 只要有”x=”出现，这就是赋值语句。相当于在foo内部定义一个局部变量x，那么foo内部所有x都是这个局部变量x了

  • x = x + 1 相当于使用了局部变量x，但是这个x还没有完成赋值，就被右边拿来做加1操作了

x = 5
def foo():   # 函数被解释器解释，foo指向函数对象，同时解释器会理解x是什么作用域
    print(x) # x 在函数解析时就被解释器判定为局部变量
    x += 1   # x = x + 1
foo() # 调用时

如何解决这个常见问题？

global语句

x = 5
def foo():
    global x # 全局变量
    x += 1
    print(x)
foo()

  • 使用global关键字的变量，将foo内的x声明为使用外部的全局作用域中定义的x

  • 全局作用域中必须有x的定义

如果全局作用域中没有x定义会怎样？

注意，下面试验如果在ipython、jupyter中做，上下文运行环境中有可能有x的定义，稍微不注意，就测试不出效果

# 有错吗？
def foo():
    global x
    x += 1
    print(x)
foo()

# 有错吗？
def foo():
    global x
    x = 10
    x += 1
    print(x)
foo()
print(x) # 可以吗

使用global关键字定义的变量，虽然在foo函数中声明，但是这将告诉当前foo函数作用域，这个x变量将使用外部全局作用域中的x。

即使是在foo中又写了 x = 10 ，也不会在foo这个局部作用域中定义局部变量x了。

使用了global，foo中的x不再是局部变量了，它是全局变量。

总结

  • x+=1 这种是特殊形式产生的错误的原因？先引用后赋值，而python动态语言是赋值才算定义，才能被引用。解决办法，在这条语句前增加x=0之类的赋值语句，或者使用global 告诉内部作用域，去全局作用域查找变量定义

  • 内部作用域使用 x = 10 之类的赋值语句会重新定义局部作用域使用的变量x，但是，一旦这个作用域中使用 global 声明x为全局的，那么x=5相当于在为全局作用域的变量x赋值

global使用原则

  • 外部作用域变量会在内部作用域可见，但也不要在这个内部的局部作用域中直接使用，因为函数的目的就是为了封装，尽量与外界隔离

  • 如果函数需要使用外部全局变量，请尽量使用函数的形参定义，并在调用传实参解决

  • 一句话：不用global。学习它就是为了深入理解变量作用域

闭包

自由变量：未在本地作用域中定义的变量。例如定义在内层函数外的外层函数的作用域中的变量

闭包：就是一个概念，出现在嵌套函数中，指的是内层函数引用到了外层函数的自由变量，就形成了闭包。很多语言都有这个概念，最熟悉就是JavaScript

def counter():
    c = [0]
    def inc():
        c[0] += 1 # 报错吗？ 为什么 # line 4
        return c[0]
    return inc
foo = counter()                    # line 8
print(foo(), foo())                # line 9
c = 100
print(foo())                       # line 11

上面代码有几个问题：

  • 第4行会报错吗？为什么

  • 第9行打印什么结果？

  • 第11行打印什么结果？

代码分析

  • 第8行会执行counter函数并返回inc对应的函数对象，注意这个函数对象并不释放，因为有foo记着

  • 第4行会报错吗？为什么

    • 不会报错，c已经在counter函数中定义过了。而且inc中的使用方式是为c的元素修改值，而不是重新定义c变量

  • 第9行打印什么结果？

    • 打印 1 2

  • 第11行打印什么结果？

    • 打印 3

    • 第9行的c和counter中的c不一样，而inc引用的是自由变量正是counter中的变量c

这是Python2中实现闭包的方式，Python3还可以使用nonlocal关键字

再看下面这段代码，会报错吗？使用global能解决吗？

def counter():
    count = 0
    def inc():
        count += 1
        return count
    return inc
foo = counter()
print(foo(), foo())

上例一定出错，使用gobal可以解决

def counter():
    global count
    count = 0
    def inc():
        global count
        count += 1
        return count
    return inc
foo = counter()
print(foo(), foo())
count = 100
print(foo()) # 打印几？

上例使用global解决，这是全局变量的实现，而不是闭包了。

如果要对这个普通变量使用闭包，Python3中可以使用nonlocal关键字。

nonlocal语句

nonlocal：将变量标记为不在本地作用域定义，而是在上级的某一级局部作用域中定义，但不能是全局作用域中定义。

def counter():
    count = 0
    def inc():
        nonlocal count # 声明变量count不是本地变量
        count += 1
        return count
    return inc
foo = counter()
print(foo(), foo())

count 是外层函数的局部变量，被内部函数引用。

内部函数使用nonlocal关键字声明count变量在上级作用域而非本地作用域中定义。

代码中内层函数引用外部局部作用域中的自由变量，形成闭包。

上例是错误的，nonlocal 声明变量 a 不在当前作用域，但是往外就是全局作用域了，所以错误。

函数的销毁

定义一个函数就是生成一个函数对象，函数名指向的就是函数对象。

可以使用del语句删除函数，使其引用计数减1。

可以使用同名标识符覆盖原有定义，本质上也是使其引用计数减1。

Python程序结束时，所有对象销毁。

函数也是对象，也不例外，是否销毁，还是看引用计数是否减为0。

变量名解析原则LEGB

  • Local，本地作用域、局部作用域的local命名空间。函数调用时创建，调用结束消亡

  • Enclosing，Python2.2时引入了嵌套函数，实现了闭包，这个就是嵌套函数的外部函数的命名空间

  • Global，全局作用域，即一个模块的命名空间。模块被import时创建，解释器退出时消亡

  • Build-in，内置模块的命名空间，生命周期从python解释器启动时创建到解释器退出时消亡。例如print(open)，print和open都是内置的变量

所以一个名词的查找顺序就是LEGB

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