由一个例子到python的名字空间

源自我的博客

前言

python里面最核心的内容就是:名字空间(namespace)

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例子引入

例1

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8


def func1():
    x = 1
    print globals()
    print 'before func1:', locals()

    def func2():
        a = 1
        print 'before fun2:', locals()
        a += x
        print 'after fun2:', locals()

    func2()
    print 'after func1:', locals()
    print globals()

if __name__ == '__main__':
    func1()

可以正常输出结果：　并且需要注意，在func2使用x变量之前的名字空间就已经有了'x':1.

before func1: {'x': 1}
before fun2: {'a': 1, 'x': 1}
after fun2: {'a': 2, 'x': 1}
after func1: {'x': 1, 'func2': <function func2 at 0x7f7c89700b90>}

稍微改一点:如下

例2:

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8


def func1():
    x = 1
    print 'before func1:', locals()

    def func2():
        print 'before fun2:', locals()
        x += x #就是这里使用x其余地方不变
        print 'after fun2:', locals()

    func2()
    print 'after func1:', locals()

if __name__ == '__main__':
    func1()

输出就开始报错: 而且在before func2也没有了x.

before func1: {'x': 1}
before fun2: {}
Traceback (most recent call last):
  File "test.py", line 18, in <module>
    func1()
  File "test.py", line 14, in func1
    func2()
  File "test.py", line 11, in func2
    x += x
UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

这两个例子正好涉及到了python里面最核心的内容：名字空间，正好总结一下，然后在解释这几个例子。

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名字空间(Namespace)

比如我们定义一个"变量"

In [14]: a
NameError: name 'a' is not defined

所以，这里更准确的叫法应该是名字。 一些语言中比如c,c++,java 变量名是内存地址别名, 而Python 的名字就是一个字符串，它与所指向的目标对象关联构成名字空间里面的一个键值对{name: object}，因此可以这么说，python的名字空间就是一个字典.。

分类

python里面有很多名字空间，每个地方都有自己的名字空间，互不干扰，不同空间中的两个相同名字的变量之间没有任何联系一般有4种: LEGB四种

• locals: 函数内部的名字空间，一般包括函数的局部变量以及形式参数

• enclosiing function: 在嵌套函数中外部函数的名字空间, 对fun2来说，　fun1的名字空间就是。

• globals: 当前的模块空间，模块就是一些py文件。也就是说，globals()类似全局变量。

• __builtins__: 内置模块空间，　也就是内置变量或者内置函数的名字空间。

当程序引用某个变量的名字时，就会从当前名字空间开始搜索。搜索顺序规则便是: LEGB.

locals  -> enclosing function -> globals -> __builtins

一层一层的查找，找到了之后，便停止搜索，如果最后没有找到,则抛出在NameError的异常。这里暂时先不讨论赋值操作。
比如例1中的a = x + 1　这行代码，需要引用x, 则按照LEGB的顺序查找，locals()也就是func2的名字空间没有，进而开始E，也就是func1,里面有，找到了，停止搜索，还有后续工作，就是把x也加到自己的名字空间，这也是为什么fun2的名字空间里面也有x的原因。

访问方式

其实上面都已经说了，这里暂时简单列一下

1. 使用locals()访问局部命名空间

2. 使用globals()访问全局命名空间
   这里有一点需要注意，就是涉及到了from A import B　和import A的一点区别。

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8

import copy
from copy import deepcopy


def func():
    x = 123
    print 'func locals:',locals()

s = 'hello world'
if __name__ == '__main__':
    func()
    print 'globals:', globals()

输出结果:

func locals: {'x': 123}
globals: {'__builtins__': <module '__builtin__' (built-in)>,
 '__file__': 'test.py',
 '__package__': None, 
's': 'hello world',
'func': <function func at 0x7f1c3d617c80>,
 'deepcopy': <function deepcopy at 0x7f1c3d6177d0>, 
'__name__': '__main__',
 'copy': <module 'copy' from '/usr/lib/python2.7/copy.pyc'>, 
'__doc__': None}

从输出结果可以看出globals()包含了定义的函数，变量等。对于 'deepcopy': <function deepcopy at 0x7f1c3d6177d0>可以看出deepcopy已经被导入到自己的名字空间了，而不是在copy里面。　而导入的import copy则还保留着自身的名字空间。因此要访问copy的方法，就需要使用copy.function了。这也就是为什么推荐使用import module的原因，因为from A import B这样会把B引入自身的名字空间，容易发生覆盖或者说污染。

生存周期

每个名字空间都有自己的生存周期，如下:

• __builtins__: 在python解释器启动的时候，便已经创建,直到退出

• globals: 在模块定义被读入时创建，通常也一直保存到解释器退出。

• locals : 在函数调用时创建, 直到函数返回，或者抛出异常之后，销毁。　另外递归函数每一次均有自己的名字空间。

看着没有问题，但是有很多地方需要考虑。比如名字空间都是在代码编译时期确定的，而不是执行期间。这个也就可以解释为什么在例1中，before func2:的locals()里面包含了x: 1　这一项。再看下面这个，

def func():
    if False:
        x = 10 #该语句永远不执行
    print x

肯定会报错的，但是错误不是

NameError: global name 'x' is not defined

而是:

UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

虽然x = 10永远不会执行，但是在执行之前的编译阶段，就会把x作为locals变量，但是后面编译到print的时候，发现没有赋值,因此直接抛出异常，locals()里面便不会有x。这个就跟例子2中,before func2里面没有x是一个道理。

赋值

为什么要把赋值单独列出来呢，因为赋值操作对名字空间的影响很大，而且很多地方需要注意。
核心就是: 赋值修改的是命名空间，而不是对象, 比如:

a = 10

这个语句就是把a放入到了对应的命名空间, 然后让它指向一个值为10的整数对象。

a = []
a.append(1)

这个就是把a放入到名字空间，然后指向一个列表对象,　然而后面的a.append(1)这句话只是修改了list的内容，并没有修改它的内存地址。因此
并没有涉及到修改名字空间。
赋值操作有个特点就是: 赋值操作总是在最里层的作用域.也就说，只要编译到了有赋值操作，就会在当前名字空间内新创建一个名字，然后开始才绑定对象。即便该名字已存在于赋值语句发生的上一层作用域中；

总结

分析例子

现在再看例子2, 就清晰多了， x += x 编译到这里时，发现了赋值语句，于是准备把x新加入最内层名字空间也就是func2中，即使上层函数已经存在了; 但是赋值的时候，又要用到x的值， 然后就会报错:

UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

这样看起来好像就是 内部函数只可以读取外部函数的变量，而不能做修改，其实本质还是因为赋值涉及到了新建locals()的名字。
在稍微改一点:

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8

def func1():
    x = [1,2]
    print 'before func1:', locals()

    def func2():
        print 'before fun2:', locals()
        x[0] += x[0] #就是这里使用x[0]其余地方不变
        print 'after fun2:', locals()

    func2()
    print 'after func1:', locals()

if __name__ == '__main__':
    func1()

这个结果就是：

before func1: {'x': [1, 2]}
before fun2: {'x': [1, 2]}
after fun2: {'x': [2, 2]}
after func1: {'x': [2, 2], 'func2': <function func2 at 0x7fb67b253b18>}

咋正确了呢---这不应该要报错吗？ 其实不然，就跟上面的a.append(1)是一个道理。
x[0] += x[0] 这个并不是对x的赋值操作。按照LEGB原则， 搜到func1有变量x并且是个list, 然后将其加入到自己的locals(), 后面的x[0] += x[0], 就开始读取x的元素，并没有影响func2的名字空间。另外无论func1与func2的名字空间的x 没有什么关系，只不过都是对[1, 2]这个列表对象的一个引用。
这个例子其实也给了我们一个启发，我们知道内部函数无法直接修改外部函数的变量值，如例2，如果借助list的话， 就可以了吧！比如把想要修改的变量塞到一个list里面，然后在内部函数里面做改变！当然python3.x里面有了nonlocal关键字，直接声明一下就可以修改了。看到这里，对作用域理解应该有一点点了吧。

延伸

与闭包的不同

我们都知道闭包是把外部函数的值放到func.func_closure里面，为什么不像上面的例子一样直接放到函数的名字空间呢？
这是因为locals()空间是在函数调用的时候才创建！ 而闭包只是返回了一个函数， 并没有调用，也就没有所谓的空间。

locals()与globals()

在最外层的模块空间里locals()就是globals()

In [2]: locals() is globals()
Out[2]: True

另外我们可以手动修改globals()来创建名字

In [3]: globals()['a'] = 'abcde'
In [4]: a
Out[4]: 'abcde'

但是locals()在函数里面的话， 貌似是不起作用的，如下：

In [5]: def func():
   ...:     x = 10
   ...:     print x
   ...:     print locals()
   ...:     locals()['x'] = 20
   ...:     print x
In [6]: func()
10
{'x': 10}
10

这是因为解释器会将 locals 名字复制到 一个叫FAST的 区域来优化访问速度，而实际上解释器访问对象时，是从FAST区域里面读取的，而非locals()。所以直接修改locals()并不能影响x(可以使用exec 动态访问，不再细述)。 不过赋值操作，会同时刷新locals()和FAST区域。

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查了不少资料，说了这么多，我只想说，作为python最核心的东西，名字空间还有很多很多地方需要探究，比如

• 作用域(scope)与名字空间, 这里只是模糊了二者的区别

• 面向对象，也就是类的名字空间， 又有不一样的地方。。。

学一点记录一点吧。

参考

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