Python中的名字和作用域

  Python的名字或者说标识符,相当于其他静态编译语言中的变量名,但有本质上的不同。严格来说,Python是没有变量名这个概念的,在Python中,对象是通过名字访问的,名字和对象之间是一个“绑定”关系,这种绑定是通过“名字绑定操作(赋值语句是其中一种)”完成的,换句话说,标识符(变量名)只是一个字符串,这个字符串是否有意义要看它是否绑定了一个对象。在Python中,每一个模块(文件)定义,每一个类定义,每一个函数定义,都是一个作用域。当在某个作用域引用某个名字时,如果该名字未在该作用域被绑定(例如通过赋值语句),则在上一级作用域中查找。这里需要说明的是,Python中的对象是没有作用域这回事的,所有对象都是“全局”的,只有名字才需考虑作用域,对象是可以通过名字在不同作用域中传递的。

  在下面例子中的函数main定义中,名字message未在main中被赋值,main函数的执行将修改全局的message,print语句输出["Hello", "World"]。

# 例1
message = ["Hello"]

def main():
    message.append("World")

main()
print(message)

  如果在main中对message重新进行赋值,则相当于在函数main的作用域中建立了一个新的名字:message。对该新的message的修改不影响全局message。如下例。

# 例2
message = ["Hello"]

def main():
    message = []
    message.append("World")

main()
print(message)

以上程序输出:["Hello"]。

  如果希望全局的message重新绑定新的列表对象,则可以采用global关键字,如下所示。

# 例3
message = ["Hello"]

def main():
    global message
    message = []
    message.append("World")

main()
print(message)

以上程序输出:["World"]。

  在Python中,名字的查找是在运行时进行的,在例1中,将message放到main函数定义之后也是一样的结果,如下。

# 例4

def main():
    message.append("World")

message = ["Hello"]
main()
print(message)

以上程序输出与例1相同。

  然而,名字与作用域的关系并不是在运行时确定的,而是在程序文件被解析(Parse)时确定的,这也意味着global语句的位置与名字作用域的确定无关,换句话说,就是global语句可以放在名字使用之后,产生的效果是一样的,将例3修改如下。

# 例5(不良写法)
message = ["Hello"]

def main():
    message = []
    message.append("World")
    global message

main()
print(message)

以上程序运行结果和例3一致,但这是一种很不良好的写法,Python一般会给出警告。

赋值语句(=)相当于新建立一个名字并将该名字和一个对象绑定,未绑定对象的名字是不能被引用的,复合赋值语句(+=, -=, *=, ...)就有可能造成这种情况。如下例所示。

# 例6(无法运行)

count = 0

def main():
    count += 1

main()
print(count)

  运行以上程序会出现未绑定对象(UnboundLocalError)错误。在Python中,“a+=b”一般情况下相当于“a = a+b”,所不同的是对a的计算次数不一样,前者只计算一次,并且在当a所引用的对象存在“__iadd__”方法时,调用该方法。但不管什么情况(即使a对象存在“__iadd__”方法),“+=”语句始终在该作用域声明了一个新的名字(注意名字作用域的确定是在程序文件解析时,不是在语句执行时),但该名字未和对象绑定(赋值)!无论是执行“a+=b”还是“a.__iadd__(b)”,都需要a绑定一个对象,所以例6会出错。这时就需要global对名字进行声明,如下所示。

# 例7
count = 0

def main():
    global count
    count += 1

main()
print(count)

以上程序输出:1。

  以上可以看出,在Python中赋值语句或复合赋值语句和其他静态编译语言(C、C++等)有本质上的不同,可以这样说,在Python中凡是有等号“=”的语句,都会在它出现的那个作用域中查找名字,如果有就直接用,如果没有就新建,不会去上一级作用域中查找。如果不采用赋值语句或复合赋值语句,就不会出现例6中的错误,就像例1中的那样。需要注意的是,尽管对“a += b”在某些情况下相当于执行“a.__iadd__(b)”,但后者只是普通的方法调用,并不会引入新的名字,如下例所示。

# 例8
class A:
    def __init__(self):
        self.count = 0

    def __iadd__(self, n):
        self.count += n
        return self

a = A()

def main():
    a.__iadd__(1)

main()
print(a.count)

  以上程序可以正常运行,但若是把“a.__iadd__(1)”写成“a+=1”则会出现“UnboundLocalError”错误,当然,用global声明了就不会出现错误了。

  其实,无论是全局作用域还是局部作用域,都是一个“字典对象”,名字为keyword,对象为value。赋值语句就相当于在字典中插入名字并关联相应的对象。在例6中,将“count+=1”改成“globals()["count"] += 1”,程序将会正常运行。“globals()”函数返回全局作用域的字典对象,同理,“locals()”将返回局部作用域的字典对象。

  由以上讨论可以看到,在Python中,“名字”本身就是一个对象(字符串),它和对象的绑定是通过字典对象的keyword和value的关联得到的,对名字的赋值就等于在相应的字典对象中建立keyword或更改keyword对应的value,意识到这一点,就可以在Python中正确通过名字操纵对象了。

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