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詳解Python locals()的陷阱

 更新時(shí)間:2019年03月26日 10:19:07   作者:Lin_R  
這篇文章主要介紹了詳解Python locals()的陷阱,小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧

在工作中, 有時(shí)候會(huì)遇到一種情況: 動(dòng)態(tài)地進(jìn)行變量賦值, 不管是局部變量還是全局變量, 在我們絞盡腦汁的時(shí)候, Python已經(jīng)為我們解決了這個(gè)問題.

Python的命名空間通過一種字典的形式來體現(xiàn), 而具體到函數(shù)也就是locals() 和 globals(), 分別對(duì)應(yīng)著局部命名空間和全局命名空間. 于是, 我們也就能通過這些方法去實(shí)現(xiàn)我們"動(dòng)態(tài)賦值"的需求.

例如:

def test():
  globals()['a2'] = 4
test()
print a2  # 輸出 4

很自然, 既然 globals能改變?nèi)置臻g, 那理所當(dāng)然locals應(yīng)該也能修改局部命名空間.修改函數(shù)內(nèi)的局部變量.

但事實(shí)真是如此嗎? 不是!

def aaaa():
  print locals()
  for i in ['a', 'b', 'c']:
    locals()[i] = 1
  print locals()
  print a
aaaa()

輸出:

{}
{'i': 'c', 'a': 1, 'c': 1, 'b': 1}
Traceback (most recent call last):
  File "5.py", line 17, in <module>
    aaaa()
  File "5.py", line 16, in aaaa
    print a
NameError: global name 'a' is not defined

程序運(yùn)行報(bào)錯(cuò)了!

但是在第二次print locals()很清楚能夠看到, 局部空間是已經(jīng)有那些變量了, 其中也有變量a并且值也為1, 但是為什么到了print a卻報(bào)出NameError異常?

再看一個(gè)例子:

def aaaa():
  print locals()
  s = 'test'          # 加入顯示賦值 s    
  for i in ['a', 'b', 'c']:
    locals()[i] = 1
  print locals()
  print s            # 打印局部變量 s 
  print a
aaaa()

輸出:

{}
{'i': 'c', 'a': 1, 's': 'test', 'b': 1, 'c': 1}
test
Traceback (most recent call last):
  File "5.py", line 19, in <module>
    aaaa()
  File "5.py", line 18, in aaaa
    print a
NameError: global name 'a' is not defined

上下兩段代碼, 區(qū)別就是, 下面的有顯示賦值的代碼, 雖然也是同樣觸發(fā)了NameError異常, 但是局部變量s的值被打印了出來.

這就讓我們覺得很納悶, 難道通過locals()改變局部變量, 和直接賦值有不同? 想解決這個(gè)問題, 只能去看程序運(yùn)行的真相了, 又得上大殺器dis~

根源探討

直接對(duì)第二段代碼解析:

13      0 LOAD_GLOBAL       0 (locals)
       3 CALL_FUNCTION      0
       6 PRINT_ITEM
       7 PRINT_NEWLINE

 14      8 LOAD_CONST        1 ('test')
       11 STORE_FAST        0 (s)

 15     14 SETUP_LOOP       36 (to 53)
       17 LOAD_CONST        2 ('a')
       20 LOAD_CONST        3 ('b')
       23 LOAD_CONST        4 ('c')
       26 BUILD_LIST        3
       29 GET_ITER
    >>  30 FOR_ITER        19 (to 52)
       33 STORE_FAST        1 (i)

 16     36 LOAD_CONST        5 (1)
       39 LOAD_GLOBAL       0 (locals)
       42 CALL_FUNCTION      0
       45 LOAD_FAST        1 (i)
       48 STORE_SUBSCR
       49 JUMP_ABSOLUTE      30
    >>  52 POP_BLOCK

 17   >>  53 LOAD_GLOBAL       0 (locals)
       56 CALL_FUNCTION      0
       59 PRINT_ITEM
       60 PRINT_NEWLINE

 18     61 LOAD_FAST        0 (s)
       64 PRINT_ITEM
       65 PRINT_NEWLINE

 19     66 LOAD_GLOBAL       1 (a)
       69 PRINT_ITEM
       70 PRINT_NEWLINE
       71 LOAD_CONST        0 (None)
       74 RETURN_VALUE
None

在上面的字節(jié)碼可以看到:

  1. locals() 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼是: LOAD_GLOBAL
  2. s='test' 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼是: LOAD_CONST 和 STORE_FAST
  3. print s 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼是: LOAD_FAST
  4. print a 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼是: LOAD_GLOBAL

從上面羅列出來的幾個(gè)關(guān)鍵語(yǔ)句的字節(jié)碼可以看出, 直接賦值/讀取 和 通過locals()賦值/讀取 本質(zhì)是很大不同的. 那么觸發(fā)NameError異常, 是否證明通過 locals()[i] = 1 存儲(chǔ)的值, 和真正的局部命名空間 是不同的兩個(gè)位置?

想要回答這個(gè)問題, 我們得先確定一個(gè)東西, 就是真正的局部命名空間如何獲取? 其實(shí)這個(gè)問題, 在上面的字節(jié)碼上, 已經(jīng)給出了標(biāo)準(zhǔn)答案了!

真正的局部命名空間, 其實(shí)是存在 STORE_FAST 這個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面. 這個(gè)是什么鬼, 這個(gè)需要源碼來解答:

// ceval.c 從上往下, 依次是相應(yīng)函數(shù)或者變量的定義
// 指令源碼
TARGET(STORE_FAST)
{
  v = POP();
  SETLOCAL(oparg, v);
  FAST_DISPATCH();
}
--------------------
// SETLOCAL 宏定義   
#define SETLOCAL(i, value)   do { PyObject *tmp = GETLOCAL(i); \
                   GETLOCAL(i) = value; \
                   Py_XDECREF(tmp); } while (0)
-------------------- 
// GETLOCAL 宏定義                  
#define GETLOCAL(i)   (fastlocals[i])   

-------------------- 
// fastlocals 真面目
PyObject * PyEval_EvalFrameEx(PyFrameObject *f, int throwflag){
  // 省略其他無關(guān)代碼
  fastlocals = f->f_localsplus;
....
}

看到這里, 應(yīng)該就能明確了, 函數(shù)內(nèi)部的局部命名空間, 實(shí)際是就是幀對(duì)象的f的成員f_localsplus, 這是一個(gè)數(shù)組, 了解函數(shù)創(chuàng)建的童鞋可能會(huì)比較清楚, 在CALL_FUNCTION時(shí), 會(huì)對(duì)這個(gè)數(shù)組進(jìn)行初始化, 將形參賦值什么都會(huì)按序塞進(jìn)去, 在字節(jié)碼 18 61 LOAD_FAST 0 (s)中, 第四列的0, 就是將f_localsplus第 0 個(gè)成員取出來, 也就是值 "s".

所以STORE_FAST才是真正的將變量存入局部命名空間, 那locals()又是什么鬼? 為什么看起來就跟真的一樣?

這個(gè)就需要分析locals, 對(duì)于這個(gè), 字節(jié)碼可能起不了作用, 直接去看內(nèi)置函數(shù)如何定義的吧:

// bltinmodule.c
static PyMethodDef builtin_methods[] = {
  ...
  // 找到 locals 函數(shù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)置函數(shù)是 builtin_locals 
  {"locals",     (PyCFunction)builtin_locals,   METH_NOARGS, locals_doc},
  ...
}

-----------------------------

// builtin_locals 的定義
static PyObject *
builtin_locals(PyObject *self)
{
  PyObject *d;

  d = PyEval_GetLocals();
  Py_XINCREF(d);
  return d;
}
-----------------------------

PyObject *
PyEval_GetLocals(void)
{
  PyFrameObject *current_frame = PyEval_GetFrame(); // 獲取當(dāng)前堆棧對(duì)象
  if (current_frame == NULL)
    return NULL;
  PyFrame_FastToLocals(current_frame); // 初始化和填充 f_locals
  return current_frame->f_locals;
}
-----------------------------

// 初始化和填充 f_locals 的具體實(shí)現(xiàn)
void
PyFrame_FastToLocals(PyFrameObject *f)
{
  /* Merge fast locals into f->f_locals */
  PyObject *locals, *map;
  PyObject **fast;
  PyObject *error_type, *error_value, *error_traceback;
  PyCodeObject *co;
  Py_ssize_t j;
  int ncells, nfreevars;
  if (f == NULL)
    return;
  locals = f->f_locals;
  
  // 如果locals為空, 就新建一個(gè)字典對(duì)象
  if (locals == NULL) {
    locals = f->f_locals = PyDict_New(); 
    if (locals == NULL) {
      PyErr_Clear(); /* Can't report it :-( */
      return;
    }
  }
  
  co = f->f_code;
  map = co->co_varnames;
  if (!PyTuple_Check(map))
    return;
  PyErr_Fetch(&error_type, &error_value, &error_traceback);
  fast = f->f_localsplus;
  j = PyTuple_GET_SIZE(map);
  if (j > co->co_nlocals)
    j = co->co_nlocals;
    
  // 將 f_localsplus 寫入 locals
  if (co->co_nlocals)
    map_to_dict(map, j, locals, fast, 0);
  ncells = PyTuple_GET_SIZE(co->co_cellvars);
  nfreevars = PyTuple_GET_SIZE(co->co_freevars);
  if (ncells || nfreevars) {
    // 將 co_cellvars 寫入 locals
    map_to_dict(co->co_cellvars, ncells,
          locals, fast + co->co_nlocals, 1);
          
    if (co->co_flags & CO_OPTIMIZED) {
      // 將 co_freevars 寫入 locals
      map_to_dict(co->co_freevars, nfreevars,
            locals, fast + co->co_nlocals + ncells, 1);
    }
  }
  PyErr_Restore(error_type, error_value, error_traceback);
}

從上面PyFrame_FastToLocals已經(jīng)看出來, locals() 實(shí)際上做了下面幾件事:

  1. 判斷幀對(duì)象 的 f_f->f_locals 是否為空, 若是, 則新建一個(gè)字典對(duì)象.
  2. 分別將 localsplus, co_cellvars 和 co_freevars 寫入 f_f->f_locals.

在這簡(jiǎn)單介紹下上面幾個(gè)分別是什么鬼:

  1. localsplus: 函數(shù)參數(shù)(位置參數(shù)+關(guān)鍵字參數(shù)), 顯示賦值的變量.
  2. co_cellvars 和 co_freevars: 閉包函數(shù)會(huì)用到的局部變量.

結(jié)論

通過上面的源碼, 我們已經(jīng)很明確知道locals() 看到的, 的確是函數(shù)的局部命名空間的內(nèi)容, 但是它本身不能代表局部命名空間, 這就好像一個(gè)代理, 它收集了A, B, C的東西, 展示給我看, 但是我卻不能簡(jiǎn)單的通過改變這個(gè)代理, 來改變A, B, C真正擁有的東西!

這也就是為什么, 當(dāng)我們通過locals()[i] = 1的方式去動(dòng)態(tài)賦值時(shí), print a卻觸發(fā)了NameError異常, 而相反的, globals()確實(shí)真正的全局命名空間, 所以一般會(huì)說

locals() 只讀, globals() 可讀可寫

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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