python学习_program_Python的命名空间和作用域

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楔子

日常的Python开发中，变量的使用是一个简单但是不注意又会出错的地方，本文从变量的命名空间（NameSpace）和作用域（Scope）的角度去讲解他们的含义和与变量的关系。

变量名在Python中的含义

如果您曾经阅读过“ python之禅”（在Python解释器中输入 import this），则会看到最后一行是，

Namespaces are one honking great idea -- let's do more of those!

翻译过来就是：命名空间是个绝妙的主意，我们应好好利用它。

那么到底什么是命名空间(NameSpace)呢？让我们首先看一下什么叫做变量名(Name)吧。

变量名（Name），或者叫变量标识符（Identifier），简单理解就是某个python对象的名字，而我们知道：Python 中的一切都是对象。变量名是访问底层对象的一种方式。

例如，当我们进行赋值时：a = 2，2是一个存储在内存中的对象，而a是我们与之关联的名称。我们可以通过内置函数id()获取某个对象在内存中的地址。让我们看看它的使用范例。

a = 2
print('id(2) =', id(2))

print('id(a) =', id(a))

输出：

id(2) = 140728274186016
id(a) = 140728274186016

在这里，两者都指向同一个对象2，因此它们具有相同的id()。让我们让事情变得更有趣一些。

a = 2
print('id(a) =', id(a))

a = a+1
print('id(a) =', id(a))

print('id(3) =', id(3))

b = 2
print('id(b) =', id(b))
print('id(2) =', id(2))

输出：

id(a) = 140728274186016
id(a) = 140728274186048
id(3) = 140728274186048
id(b) = 140728274186016
id(2) = 140728274186016

上述程序的在执行中发生了什么？让我们用一张图来解释：

最初，一个整型对象2被我们创建了，并且用a作为变量名（标识符）与之关联（可以理解为贴标签），当我们这样执行a = a+1时，一个新的整型对象3被我们创建了（先执行左边的语句，创建了3这个对象），此时a与3关联（再执行赋值语句，可以理解为标签从2上面撕下来贴到对象3的上面）。

此时，id(a)和id(3)的值是相同的，他们都指向内存中存放整型对象3的地址。

此外，当执行b=2时，一个新的变量名（标签）与整型对象2相关联（把b这个标签贴到了整型对象2上面）

因为这种方式对于Python来说不用每次赋值都创建一个新的对象（取而代之只是增加或者更换标签），因此是足够高效的。变量名绑定这种动态的特性使得Python更强大。变量名可以指代任何类型的对象。

>>> a = 5
>>> a = 'Hello World!'
>>> a = [1,2,3]

上面的代码中，变量名a分别指代了3种对象（整型，字符串，列表）的实例，并且这些语句都可以成功执行，而在Python中，函数也是一种对象，因此变量名同样可以指代函数。（给函数贴上标签）

def printHello():
    print("Hello")


a = printHello

a()

输出：

Hello

a同样可以指向一个函数，并且我们可以通过变量名a调用这个函数。

在Python中，命名空间是什么呢

既然我们已经理解了变量名（Name）是什么，我们现在可以来讨论命名空间（NameSpace）的概念了。

简单的说，命名空间（NameSpace）就是一组变量名（Name）的集合。

在 Python 中，您可以将命名空间想象为您定义的每个变量名到相应对象的映射集。

不同的命名空间可以在给定时间共存，但是是完全隔离的。

当我们启动 Python 解释器时，会创建一个包含所有内置名称（built-in）的命名空间，并且只要解释器运行，它就存在。

这就是我们始终可以从程序的任何部分使用诸如 id(), print()等内置函数的原因。每个模块（module）都会创建自己的全局命名空间。

这些不同的命名空间是相互隔离的。因此，不同模块中可能存在相同的变量名且不会发生冲突。

每个模块可以定义不同的函数和类。当函数被调用时会创建一个本地命名空间，其中包含了所有在此函数内定义的变量名。类的情况与函数类似。下图可能有助于理解这个概念。

Python中的变量作用域（Scope）

尽管定义了各种独一无二的命名空间，但我们是无法在程序的每个地方都可以访问到全部的命名空间的。这就是作用域的概念。

作用域是程序的一部分，它表示代码在运行时可以直接获取到的命名空间。

在程序运行的任何时刻，至少有三个互相嵌套的作用域：

1. 当前函数的作用域：对于函数内定义的变量（本地变量名→本地命名空间）
2. 当前模块的作用域：对于模块内定义的变量名（全局变量名→全局命名空间）
3. 最外层作用域：内置的变量名（所有预先定义的内置变量名→内置命名空间）

当在函数内部进行变量名的引用时，会在本地命名空间中搜索，然后在全局命名空间中搜索，最后在内置命名空间中搜索。

如果在一个函数内部另有一个函数，则一个新作用域（内部函数）嵌套在本地命名空间内。

Python中命名空间和作用域的例子

a = 10

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

这里，变量a位于全局命名空间中。变量b位于函数outer_function()的本地命名空间中。c位于嵌套函数inner_func内的本地命名空间中。

如果我们在inner_func中尝试给b赋值，一个新的变量名会被创建在本地命名空间中，并且与上层函数中的b并不相同（因为不在同一命名空间内，所以不会指向同一内存地址），当我们尝试给a赋值时同理。

然而，如果我们在内部作用域声明变量名a是全局变量（global），那么所有对a的赋值和引用都会指向这个全局变量a。相似的，如果我们想在inner_func函数里绑定变量名b，使得引用和指代都是outer_function内的b，那么我们必须在inner_func中声明b为非本地变量（nolocal）。下面的例子更清楚的说明了这件事。

def outer_function():
    a = 20

    def inner_function():
        a = 30
        print('a =', a)

    inner_function()
    print('a =', a)


a = 10
outer_function()
print('a =', a)

如您所想，该程序输出如下：

a = 30
a = 20
a = 10

在这个程序中，三个不同变量名a在独立的三个命名空间中被定义并且被顺序的访问。而在下面的程序中：

def outer_function():
    global a
    a = 20

    def inner_function():
        global a
        a = 30
        print('a =', a)

    inner_function()
    print('a =', a)


a = 10
outer_function()
print('a =', a)

输出如下：

a = 30
a = 30
a = 30 

在这里，由于使用了关键字global，因此所有的引用和赋值都是针对全局变量a而进行的。

总结

本文对python中变量的命名空间和作用域进行了讲解和示例 ，希望对你有帮助~

本文大量参照了https://www.programiz.com/python-programming/namespace。

希望大家能有所收获~