第22天:Python NameSpace&Scope

命名空间定义了在某个作用域内变量名和绑定值之间的对应关系,命名空间是键值对的集合,变量名与值是一一对应关系。作用域定义了命名空间中的变量能够在多大范围内起作用。

命名空间在 Python 解释器中是以字典的形式存在的,是以一种可以看得见摸得着的实体存在的。作用域是 Python 解释器定义的一种规则,该规则确定了运行时变量查找的顺序,是一种形而上的虚的规定。

一、命名空间

1、概述

A namespace is a mapping from names to objects.Most namespaces are currently implemented as Python dictionaries。
命名空间是名字和对象的映射,命名空间是通过 Python Dictionary(字典) 来实现的。

  • 命名空间提供了一个在大型项目下避免名字冲突的方法
  • Python 中各个命名空间都是独立的,他们之间无任何关系
  • 一个命名空间中不能有重名,但不同的命名空间是可以重名而没有任何影响。

命名空间就像是计算机中的文件夹一样,同一个文件夹中的文件不可重名,但是如果两个文件从属于不同的文件夹就可以重名。 image

同理相同的对象名可以存在不同的命名空间中:

对象名和命名空间

2、命名空间种类

命名空间的种类分为 3 类,命名空间的种类也体现了命名空间的生命周期。三个种类及生命周期描述如下:

1)内置名称(built-in names)

Python 语言内置的名称,比如函数名 abs、char 和异常名称 BaseException、Exception 等等。

生命周期:

对于 Python built-in names 组成的命名空间,它在 Python 解释器启动的时候被创建,在解释器退出的时候才被删除;

2)全局名称(global names)

模块中定义的名称,记录了模块的变量,包括函数、类、其它导入的模块、模块级的变量和常量。

生命周期:

对于一个 Python 模块的 global namespace,它在这个 module 被 import 的时候创建,在解释器退出的时候退出;

3)局部名称(local names)

函数中定义的名称,记录了函数的变量,包括函数的参数和局部定义的变量。(类中定义的也是)

生命周期:

对于一个函数的 local namespace,它在函数每次被调用的时候创建,函数返回的时候被删除。

注意:

命名空间的生命周期取决于对象的作用域,如果对象执行完成,则该命名空间的生命周期就结束。 因此,我们无法从外部命名空间访问内部命名空间的对象。例如:

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# var1 是全局名称
var1 = 5
def some_func(): 
  
    # var2 是局部名称
    var2 = 6
    def some_inner_func(): 
  
        # var3 是内嵌的局部名称
        var3 = 7

命名空间分类图如下:

命名空间分类直观图

3、命名空间查找、创建、销毁顺序

3.1 查找变量

如果程序执行时去使用一个变量 hello ,那么 Python, 查找变量顺序为:

局部的命名空间 -> 全局命名空间 -> 内置命名空间

如果按照这个顺序找不到相应的变量,它将放弃查找并抛出一个 NameError 异常:

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NameError: name 'hello' is not defined。

3.2 各命名空间创建顺序:

Python 解释器启动 ->创建内建命名空间 -> 加载模块 -> 创建全局命名空间 ->函数被调用 ->创建局部命名空间

3.3 各命名空间销毁顺序:

函数调用结束 -> 销毁函数对应的局部命名空间 -> Python 虚拟机(解释器)退出 ->销毁全局命名空间 ->销毁内建命名空间

4、命名空间总结

一个模块的引入,函数的调用,类的定义都会引入命名空间,函数中的再定义函数,类中的成员函数定义会在局部 namespace 中再次引入局部 namespace。

二、作用域

1、概述

A scope is a textual region of a Python program where a namespace is directly accessible. “Directly accessible” here means that an unqualified reference to a name attempts to find the name in the namespace.

作用域就是一个 Python 程序可以直接访问命名空间的正文区域。

  • Python 程序中,直接访问一个变量,会从内到外依次访问所有的作用域直到找到,否则会报未定义的错误。
  • Python 中,程序的变量并不是在哪个位置都可以访问的,访问权限决定于这个变量是在哪里赋值的。
  • Python 中, 变量的作用域决定了在哪一部分程序可以访问哪个特定的变量名称

2、作用域种类

作用域分为4类,分别如下:

  • L(Local):最内层,包含局部变量,比如一个函数/方法内部。
  • E(Enclosing):包含了非局部(non-local)也非全局(non-global)的变量。比如两个嵌套函数,一个函数(或类) A 里面又包含了一个函数 B ,那么对于 B 中的名称来说 A 中的作用域就为 nonlocal。
  • G(Global):当前脚本的最外层,比如当前模块的全局变量。
  • B(Built-in): 包含了内建的变量/关键字等,最后被搜索。

作用域规则顺序为:

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L->E->G->B

如果变量在局部内找不到,便会去局部外的局部找(例如闭包),再找不到就会去全局找,再找不到就去内置中找,如下图所示:

作用域分类直观图

3、全局作用域和局部作用域

局部作用域(Local)是脚本中的最内层,包含局部变量,比如一个函数或方法内部。 闭包函数外函数(Enclosing)包含了非局部 (non-local) 也非全局 (non-global) 的变量。 全局作用域(Global)是当前脚本的最外层,如当前模块的全局变量,实例如下:

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global_scope = 0  # 全局作用域

# 定义闭包函数中的局部作用域
def outer():
    o_count = 1  # 闭包函数外的函数中,相对于函数 inner() 来说 作用域非局部
    def inner():
       local_scope = 2  # 局部作用域

以上实例展示的是全局作用域和闭包函数中的函数,以及函数中的局部作用域,对于函数 inner() 来说,outer() 中的作用域为 non-local

4、内建作用域

Python 中的内建作用域(Built-in): 包含了内建的变量/关键字等,最后被搜索

内建作用域是通过一个名为 builtin 的标准模块来实现的,但是这个变量名自身并没有放入内置作用域内,所以必须导入这个文件才能够使用它。在 Python3.0 中,可以使用以下的代码来查看到底预定义了哪些变量:

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import builtins
dir(builtins)
['ArithmeticError', 'AssertionError', 'AttributeError', 'BaseException', 'BlockingIOError', 'BrokenPipeError', 'BufferError', 'BytesWarning', 'ChildProcessError', 'ConnectionAbortedError', 'ConnectionError', 'ConnectionRefusedError'...]

Python 中只有模块(module),类(class)以及函数(def、lambda)才会引入新的作用域,其它的代码块(如 if/elif/else/、try/except、for/while 等)是不会引入新的作用域的,也就是说这些语句内定义的变量,外部也可以访问,如下:

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name1 = 'SuSan'
if chr('SuSan'.__eq__(name1)):
    result = 'I am from China'
else:
    result = 'I am from USA'

print(result)

# 输出结果为:
I am SuSan,I am from China

实例中 result 变量定义在 if 语句块中,但外部还是可以访问的。

如果将 result 定义在函数中,则它就是局部变量,外部不能访问,在代码中会报错运行出异常:

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# 如果将变量定义在函数内部,则外部不能访问
def names():
    name2 = 'SuSan'
# 在程序调用方法内部的变量报错
if('SuSan'.__eq__(name2)):
    result = 'I am '+name2 +','+'I am from China'
else:
    result = 'I am from USA'

print(result)

#运行输出异常
Traceback (most recent call last):
  File "python_scope.py", line 30, in <module>
    if('SuSan'.__eq__(name1)):
NameError: name 'name2' is not defined

从以上报错信息看出,name2 未定义,因为 name2 是函数 names() 中的局部变量,只能在函数内部调用,外部不能调用函数中的局部变量。

5、全局变量和局部变量

  • 全局变量:定义在函数外部拥有全局作用域的变量
  • 局部变量:定义在函数内部拥有局部作用域的变量

局部变量只能在其被声明的函数内部访问,而全局变量可以在整个程序范围内访问。调用函数时,所有在函数内声明的变量名称都将被加入到作用域中。如下实例:

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# 全局变量和局部变量
total = 0  # 这是一个全局变量
# 函数说明
def sum(arg1, arg2):
    # 返回2个参数的和."
    total = arg1 + arg2  # total在这里是局部变量.
    print("函数内是局部变量 : ", total)
    return total

# 调用sum函数,传入参数的计算结果显示局部变量
sum(10, 20)
print("函数外是全局变量 : ", total)

# 输出结果为:
函数内是局部变量 :  30
函数外是全局变量 :  0

6、global 和 nonlocal 关键字

当内部作用域想修改外部作用域的变量时,就要用到 global 和 nonlocal 关键字了。

变量访问顺序

当前作用域局部变量 -> 外层作用域变量 -> 再外层作用域变量 -> …… -> 当前模块全局变量 -> pyhton 内置变量

  • global: 全局变量,当局部作用域改变全局变量用 global,同时 global 还可以定义新的全局变量
  • nonlocal: 外层嵌套函数的变量, nonlocal 不能定义新的外层函数变量,只能改变已有的外层函数变量,同时 nonlocal 不能改变全局变量

6.1 修改全局变量

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num = 1
def fun1():
# 申明访问全局变量
    global num  # 需要使用 global 关键字声明
# 输出全局变量原始值
    print(num) 
# 修改全局变量
    num = 123
    print(num)
# 调用函数
fun1()
# 输出修改后的全局变量值
print(num)

以上实例输出结果为:

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123
123

6.2 修改嵌套作用域

如果要修改嵌套作用域(enclosing 作用域,外层非全局作用域)中的变量则需要 nonlocal 关键字

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# 定义函数
def outer():
# 定义变量
    num = 10
    # 定义嵌套函数
    def inner():
        nonlocal num   # nonlocal关键字声明,使用函数中变量
        # 修改变量值
        num = 100
        print(num)
    inner()
    print(num)
outer()

以上实例输出:

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100
100

另外还有一种特殊情况,以下这段代码有语法错误,运行会报一个异常:

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b = 8
def test():
    b = b * 10
    print(b)
test()

# 异常信息:UnboundLocalError

程序执行异常:

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Traceback (most recent call last):
  File "python_scope.py", line 90, in <module>
    test()
  File "python_scope.py", line 88, in test
    a = a + 1
UnboundLocalError: local variable 'a' referenced before assignment

错误信息为局部作用域引用错误,因为 test 函数中的 a 使用的是局部变量,未定义,无法修改。 将 a 修改为全局变量,通过函数参数传递,程序就可以正常执行,输出结果为:

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b = 8
def test(b):
    b = b * 10
    print(b)
test(b)

程序输出结果为:

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80

另一种解决办法是加 global 关键字:

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b = 8
def test():
    global b
    b = b * 30
    print(b)
test()

输出结果为:

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240

6.3 global 和 nonlocal 的区别

  • 两者的功能不同。global 关键字修饰变量后标识该变量是全局变量,对该变量进行修改就是修改全局变量,而 nonlocal 关键字修饰变量后标识该变量是上一级函数中的局部变量,如果上一级函数中不存在该局部变量,nonlocal 位置会发生错误(最上层的函数使用 nonlocal 修饰变量必定会报错)。
  • 两者使用的范围不同。global 关键字可以用在任何地方,包括最上层函数中和嵌套函数中,即使之前未定义该变量,global 修饰后也可以直接使用,而 nonlocal 关键字只能用于嵌套函数中,并且外层函数中定义了相应的局部变量,否则会发生错误

总结

本节给大家介绍了 Python 命名空间和作用用户的介绍与简单应用,在 Python 开发实战中对命名空间和作用域的运用比较广泛,谨以此文献给在 Python 学习道路上的道友,希望对大家有一丝帮助。

示例代码:Python-100-days-day021

参考:

https://www.runoob.com/python3/python3-namespace-scope.html

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