前言：

我們?cè)赑yFrameObject里面看到了3個(gè)獨(dú)立的名字空間：f_locals、f_globals、f_builtins。名字空間對(duì)于Python來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的概念，Python虛擬機(jī)的運(yùn)行機(jī)制和名字空間有著非常緊密的聯(lián)系。并且在Python中，與名字空間這個(gè)概念緊密聯(lián)系在一起的還有名字、作用域這些概念，下面就來(lái)剖析這些概念是如何體現(xiàn)的。

變量只是一個(gè)名字

很早的時(shí)候我們就說(shuō)過(guò)，從解釋器的角度來(lái)看，變量只是一個(gè)泛型指針PyObject *，而從Python的角度來(lái)看，變量只是一個(gè)名字、或者說(shuō)符號(hào)，用于和對(duì)象進(jìn)行綁定的。

變量的定義本質(zhì)上就是建立名字和對(duì)象之間的約束關(guān)系，所以a = 1這個(gè)賦值語(yǔ)句本質(zhì)上就是將a和1綁定起來(lái)，讓我們通過(guò)a這個(gè)符號(hào)可以找到對(duì)應(yīng)的PyLongObject。

除了變量賦值，創(chuàng)建函數(shù)、類也相當(dāng)于定義變量，或者說(shuō)完成名字和對(duì)象之間的綁定。

def foo(): pass
class A(): pass

創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)也相當(dāng)于定義一個(gè)變量，會(huì)先根據(jù)函數(shù)體創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)對(duì)象，然后將名字foo和函數(shù)對(duì)象綁定起來(lái)。所以函數(shù)名和函數(shù)體之間是分離的，同理類也是如此。

import os

導(dǎo)入一個(gè)模塊，也是在定義一個(gè)變量。import os相當(dāng)于將名字os和模塊對(duì)象綁定起來(lái)，通過(guò)os可以找到指定的模塊對(duì)象。

import numpy as np當(dāng)中的as語(yǔ)句同樣是在定義變量，將名字np和對(duì)應(yīng)的模塊對(duì)象綁定起來(lái)，以后就可以通過(guò)np這個(gè)名字去獲取指定的模塊了。

另外，當(dāng)我們導(dǎo)入一個(gè)模塊的時(shí)候，解釋器是這么做的。比如：import os等價(jià)于os=__import__("os")，可以看到本質(zhì)上還是一個(gè)賦值語(yǔ)句。

作用域和名字空間

我們說(shuō)賦值語(yǔ)句、函數(shù)定義、類定義、模塊導(dǎo)入，本質(zhì)上只是完成了名字和對(duì)象之間的綁定。而從概念上講，我們實(shí)際上得到了一個(gè)name和obj之間的映射關(guān)系，通過(guò)name可以獲取對(duì)應(yīng)的obj，而它們的容身之所就是名字空間。

所以名字空間是通過(guò)PyDictObject對(duì)象實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)于映射來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直再適合不過(guò)了。而在前面介紹字典的時(shí)候，我們說(shuō)過(guò)字典是被高度優(yōu)化的，原因就是虛擬機(jī)本身也重度依賴字典，從這里的名字空間即可得到體現(xiàn)。

但是一個(gè)模塊內(nèi)部，名字還存在可見(jiàn)性的問(wèn)題，比如：

a = 1
def foo():
    a = 2
    print(a)  # 2

foo()
print(a)  # 1

我們看到同一個(gè)變量名，打印的確是不同的值，說(shuō)明指向了不同的對(duì)象，換句話說(shuō)這兩個(gè)變量是在不同的名字空間中被創(chuàng)建的。

然后我們知道名字空間本質(zhì)上是一個(gè)字典，如果兩者是在同一個(gè)名字空間，那么由于字典的key的不重復(fù)性，當(dāng)執(zhí)行a=2的時(shí)候，會(huì)把字典里面key為a的value給更新成2。但是在外面還是打印1，這說(shuō)明兩者所在的不是同一個(gè)名字空間，打印的也就自然不是同一個(gè)a。

因此對(duì)于一個(gè)模塊而言，內(nèi)部是可能存在多個(gè)名字空間的，每一個(gè)名字空間都與一個(gè)作用域相對(duì)應(yīng)。作用域就可以理解為一段程序的正文區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里面定義的變量是有意義的，然而一旦出了這個(gè)區(qū)域，就無(wú)效了。

對(duì)于作用域這個(gè)概念，至關(guān)重要的是要記?。核鼉H僅是由源程序的文本所決定的。在Python中，一個(gè)變量在某個(gè)位置是否起作用，是由它的文本位置決定的。

因此Python具有靜態(tài)作用域(詞法作用域)，而名字空間則是作用域的動(dòng)態(tài)體現(xiàn)，一個(gè)由程序文本定義的作用域在Python運(yùn)行時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)名字空間、即一個(gè)PyDictObject對(duì)象。而進(jìn)入一個(gè)函數(shù)，顯然進(jìn)入了一個(gè)新的作用域，因此函數(shù)在執(zhí)行時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)名字空間。

我們之前說(shuō)，在對(duì)Python源代碼進(jìn)行編譯的時(shí)候，對(duì)于代碼中的每一個(gè)block，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)PyCodeObject與之對(duì)應(yīng)。而當(dāng)進(jìn)入一個(gè)新的名字空間、或者說(shuō)作用域時(shí)，我們就算是進(jìn)入一個(gè)新的block了。

而根據(jù)我們使用Python的經(jīng)驗(yàn)，顯然函數(shù)、類都是一個(gè)新的block，當(dāng)Python運(yùn)行的時(shí)候會(huì)為它們創(chuàng)建各自的名字空間。

所以名字空間是名字、或者變量的上下文環(huán)境，名字的含義取決于名字空間。更具體的說(shuō)，一個(gè)變量綁定的對(duì)象是不確定的，需要由名字空間來(lái)決定。

位于同一個(gè)作用域的代碼可以直接訪問(wèn)作用域中出現(xiàn)的名字，即所謂的直接訪問(wèn)；但不同作用域，則需要通過(guò)訪問(wèn)修飾符 . 進(jìn)行屬性訪問(wèn)。

class A:
    a = 1


class B:
    b = 2
    print(A.a)  # 1
    print(b)  # 2

如果想在B里面訪問(wèn)A里面的內(nèi)容，要通過(guò)A.屬性的方式，表示通過(guò)A來(lái)獲取A里面的屬性。但是訪問(wèn)B的內(nèi)容就不需要了，因?yàn)槎际窃谕粋€(gè)作用域，所以直接訪問(wèn)即可。

訪問(wèn)名字這樣的行為被稱為名字引用，名字引用的規(guī)則決定了Python程序的行為。

a = 1
def foo():
    a = 2
    print(a)  # 2

foo()
print(a)  # 1

還是上面的代碼，如果我們把函數(shù)里面的a=2給刪掉，意味著函數(shù)的作用域里面已經(jīng)沒(méi)有a這個(gè)變量了，那么再執(zhí)行程序會(huì)有什么后果呢？從Python層面來(lái)看，顯然是會(huì)尋找外部的a。

因此我們可以得到如下結(jié)論：

• 作用域是層層嵌套的；
• 內(nèi)層作用域可以訪問(wèn)外層作用域；
• 外層作用域無(wú)法訪問(wèn)內(nèi)層作用域，盡管我們沒(méi)有試，但是想都不用想。如果是把外層的a=1給去掉，那么最后面的print(a)鐵定報(bào)錯(cuò)；
• 查找元素會(huì)依次從當(dāng)前作用域向外查找，也就是查找元素時(shí)，對(duì)應(yīng)的作用域是按照從小往大、從里往外的方向前進(jìn)的；

LGB規(guī)則

我們說(shuō)函數(shù)、類有自己的作用域，但是模塊對(duì)應(yīng)的源文件本身也有相應(yīng)的作用域。比如：

name = "編程學(xué)習(xí)網(wǎng)"
age = 16

def foo():
    return 123

class A:
    pass

由于這個(gè)文件本身也有自己的作用域，顯然是global作用域，所以解釋器在運(yùn)行這個(gè)文件的時(shí)候，也會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)名字空間，而這個(gè)名字空間就是global名字空間。它里面的變量是全局的，或者說(shuō)是模塊級(jí)別的，在當(dāng)前文件的任意位置都可以直接訪問(wèn)。

而函數(shù)也有作用域，這個(gè)作用域稱為local作用域，對(duì)應(yīng)local名字空間；同時(shí)Python自身還定義了一個(gè)最頂層的作用域，也就是builtin作用域，像內(nèi)置函數(shù)、內(nèi)建對(duì)象都在builtin里面。

這三個(gè)作用域在Python2.2之前就存在了，所以那時(shí)候Python的作用域規(guī)則被稱之為L(zhǎng)GB規(guī)則：名字引用動(dòng)作沿著local作用域(local名字空間)、global作用域(global名字空間)、builtin作用域(builtin名字空間)來(lái)查找對(duì)應(yīng)的變量。

而獲取名字空間，Python也提供了相應(yīng)的內(nèi)置函數(shù)：

• locals函數(shù)：獲取當(dāng)前作用域的local名字空間，local名字空間也稱為局部名字空間；
• globals函數(shù)：獲取當(dāng)前作用域的global名字空間，global名字空間也稱為全局名字空間；
• __builtins__函數(shù)：或者import builtins，獲取當(dāng)前作用域的builtin名字空間，builtint名字空間也稱為內(nèi)置名字空間；

每個(gè)函數(shù)都有自己local名字空間，因?yàn)椴煌暮瘮?shù)對(duì)應(yīng)不同的作用域，但是global名字空間則是全局唯一。

name = "編程學(xué)習(xí)網(wǎng)"

def foo():
    pass

print(globals())  
# {..., 'name': '編程學(xué)習(xí)網(wǎng)', 'foo': <function foo at 0x000002977EDF61F0>}

里面的...表示省略了一部分輸出，我們看到創(chuàng)建的全局變量就在里面。而且foo也是一個(gè)變量，它指向一個(gè)函數(shù)對(duì)象。

但是注意，我們說(shuō)foo也是一個(gè)獨(dú)立的block，因此它會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)PyCodeObject。但是在解釋到def foo的時(shí)候，會(huì)根據(jù)這個(gè)PyCodeObject對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)PyFunctionObject對(duì)象，然后將foo和這個(gè)函數(shù)對(duì)象綁定起來(lái)。

當(dāng)我們調(diào)用foo的時(shí)候，再根據(jù)PyFunctionObject對(duì)象創(chuàng)建PyFrameObject對(duì)象、然后執(zhí)行，這些留在介紹函數(shù)的時(shí)候再細(xì)說(shuō)。總之，我們看到foo也是一個(gè)全局變量，全局變量都在global名字空間中。

總之，global名字空間全局唯一，它是程序運(yùn)行時(shí)的全局變量和與之綁定的對(duì)象的容身之所，你在任何一個(gè)地方都可以訪問(wèn)到global名字空間。正如，你在任何一個(gè)地方都可以訪問(wèn)相應(yīng)的全局變量一樣。

此外，我們說(shuō)名字空間是一個(gè)字典，變量和對(duì)象會(huì)以鍵值對(duì)的形式存在里面。那么換句話說(shuō)，如果我手動(dòng)地往這個(gè)global名字空間里面添加一個(gè)鍵值對(duì)，是不是也等價(jià)于定義一個(gè)全局變量呢？

globals()["name"] = "編程學(xué)習(xí)網(wǎng)"
print(name)  # 編程學(xué)習(xí)網(wǎng)


def f1():
    def f2():
        def f3():
            globals()["age"] = 16
        return f3
    return f2


f1()()()
print(age)  # 16

我們看到確實(shí)如此，通過(guò)往global名字空間里面插入一個(gè)鍵值對(duì)完全等價(jià)于定義一個(gè)全局變量。并且global名字空間是唯一的，你在任何地方調(diào)用globals()得到的都是global名字空間，正如你在任何地方都可以訪問(wèn)到全局變量一樣。

所以即使是在函數(shù)中向global名字空間中插入一個(gè)鍵值對(duì)，也等價(jià)于定義一個(gè)全局變量、并和對(duì)象綁定起來(lái)。

• name="xxx" 等價(jià)于 globals["name"]="xxx";
• print(name) 等價(jià)于 print(globals["name"])；

對(duì)于local名字空間來(lái)說(shuō)，它也對(duì)應(yīng)一個(gè)字典，顯然這個(gè)字典就不是全局唯一的了，每一個(gè)局部作用域都會(huì)對(duì)應(yīng)自身的local名字空間。

def f():
    name = "夏色祭"
    age = 16
    return locals()


def g():
    name = "神樂(lè)mea"
    age = 38
    return locals()


print(locals() == globals())  # True
print(f())  # {'name': '夏色祭', 'age': 16}
print(g())  # {'name': '神樂(lè)mea', 'age': 38}

顯然對(duì)于模塊來(lái)講，它的local名字空間和global名字空間是一樣的，也就是說(shuō)，模塊對(duì)應(yīng)的PyFrameObject對(duì)象里面的f_locals和f_globals指向的是同一個(gè)PyDictObject對(duì)象。

但是對(duì)于函數(shù)而言，局部名字空間和全局名字空間就不一樣了。調(diào)用locals是獲取自身的局部名字空間，而不同函數(shù)的local名字空間是不同的。但是globals函數(shù)的調(diào)用結(jié)果是一樣的，獲取的都是global名字空間，這也符合函數(shù)內(nèi)找不到某個(gè)變量的時(shí)候會(huì)去找全局變量這一結(jié)論。

所以我們說(shuō)在函數(shù)里面查找一個(gè)變量，查找不到的話會(huì)找全局變量，全局變量再?zèng)]有會(huì)查找內(nèi)置變量。本質(zhì)上就是按照自身的local空間、外層的global空間、內(nèi)置的builtin空間的順序進(jìn)行查找。

因此local空間會(huì)有很多個(gè)，因?yàn)槊恳粋€(gè)函數(shù)或者類都有自己的局部作用域，這個(gè)局部作用域就可以稱之為該函數(shù)的local空間；但是global空間則全局唯一，因?yàn)樵撟值浯鎯?chǔ)的是全局變量。無(wú)論你在什么地方，通過(guò)調(diào)用globals函數(shù)拿到的永遠(yuǎn)是全局名字空間，向該空間中添加鍵值對(duì)，等價(jià)于創(chuàng)建全局變量。

對(duì)于builtin名字空間，它也是一個(gè)字典。當(dāng)local空間、global空間都沒(méi)有的時(shí)候，會(huì)去builtin空間查找。問(wèn)題來(lái)了，builtin名字空間如何獲取呢？答案是使用builtins模塊，通過(guò)builtins.__dict__即可拿到builtin名字空間。

# 等價(jià)于__builtins__
import builtins

#我們調(diào)用list顯然是從內(nèi)置作用域、也就是builtin名字空間中查找的
#但我們只寫list也是可以的
#因?yàn)閘ocal空間、global空間沒(méi)有的話，最終會(huì)從builtin空間中查找
#但如果是builtins.list，那么就不兜圈子了
#表示: "builtin空間，就從你這獲取了"
print(builtins.list is list)  # True

builtins.dict = 123
#將builtin空間的dict改成123
#那么此時(shí)獲取的dict就是123
#因?yàn)槭菑膬?nèi)置作用域中獲取的
print(dict + 456)  # 579

str = 123
#如果是str = 123，等價(jià)于創(chuàng)建全局變量str = 123
#顯然影響的是global空間
print(str)  # 123
# 但是此時(shí)不影響builtin空間
print(builtins.str)  # <class 'str'>

這里提一下Python2當(dāng)中，while 1比while True要快，為什么？

因?yàn)門rue在Python2中不是關(guān)鍵字，所以它是可以作為變量名的。那么Python在執(zhí)行的時(shí)候就要先看local空間和global空間里有沒(méi)有True這個(gè)變量，有的話使用我們定義的，沒(méi)有的話再使用內(nèi)置的True。

而1是一個(gè)常量，直接加載就可以，所以while True多了符號(hào)查找這一過(guò)程。但是在Python3中兩者就等價(jià)了，因?yàn)門rue在Python3中是一個(gè)關(guān)鍵字，也會(huì)直接作為一個(gè)常量來(lái)加載。

eval和exec

記得之前介紹 eval 和 exec 的時(shí)候，我們說(shuō)這兩個(gè)函數(shù)里面還可以接收第二個(gè)參數(shù)和第三個(gè)參數(shù)，它們分別表示global名字空間、local名字空間。

# 如果不指定，默認(rèn)當(dāng)前所在的名字空間
# 顯然此時(shí)是全局名字空間
exec("name = '古明地覺(jué)'")
print(name)  # 古明地覺(jué)

# 但是我們也可以指定某個(gè)名字空間
dct = {}
# 將 dct 作為全局名字空間
# 這里我們沒(méi)有指定第三個(gè)參數(shù)，也就是局部名字空間
# 如果指定了全局名字空間、但沒(méi)有指定局部名字空間
# 那么局部名字空間默認(rèn)和全局名字空間保持一致
exec("name = 'satori'", dct)
print(dct["name"])  # satori

至于 eval 也是同理：

dct = {"seq": [1, 2, 3, 4, 5]}
try:
    print(eval("sum(seq)"))
except NameError as e:
    print(e)  # name 'seq' is not defined

# 告訴我們 seq 沒(méi)有被定義
# 因?yàn)槲覀冃枰獙?dct 作為名字空間
print(eval("sum(seq)", dct))  # 15

所以名字空間本質(zhì)上就是一個(gè)字典，所謂的變量不過(guò)是字典里面的一個(gè) key。為了進(jìn)一步加深印象，

再舉個(gè)模塊的例子：

# 我們自定義一個(gè)模塊吧
# 首先模塊也是一個(gè)對(duì)象，類型為 <class 'module'>
# 但是底層沒(méi)有將這個(gè)類暴露給我們，所以需要換一種方式獲取
import sys
module = type(sys)
# 以上就拿到了模塊的類型對(duì)象，調(diào)用即可得到模塊對(duì)象
my_module = module("自己定義的")
print(sys)  # <module 'sys' (built-in)>
print(my_module)  # <module '自己定義的'>

# 此時(shí)的 my_module 啥也沒(méi)有，我們?yōu)槠涮泶u加瓦
my_module.__dict__["name"] = "古明地覺(jué)"
print(my_module.name)  # 古明地覺(jué)
# 給模塊設(shè)置屬性，本質(zhì)上也是操作相應(yīng)的屬性字典
# 當(dāng)然獲取屬性也是如此。如果再和exec結(jié)合的話
code = """
age = 16
def foo():
    return "我是函數(shù)foo"
    
from functools import reduce     
"""
# 此時(shí)屬性就設(shè)置在了模塊的屬性字典里面
exec(code, my_module.__dict__)
print(my_module.age)  # 16
print(my_module.foo())  # 我是函數(shù)foo
print(my_module.reduce(int.__add__, [1, 2, 3, 4, 5]))  # 15

怎么樣，是不是很有趣呢？以上就是本次分享的所有內(nèi)容，想要了解更多歡迎前往公眾號(hào)：Python編程學(xué)習(xí)圈，每日干貨分享

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