Python中令人头疼的变量作用域问题，终于弄清楚了

来源：Python数据之道

作者：大奎  整理：阳哥

学习Python变量过程中，曾经为变量混乱的作用域问题头疼不已，全局变量、局部变量、自由变量傻傻分不清，今天来跟大家分享 Python变量作用域 的知识点，文章内容由公众号读者 大奎 创作。

我们经常听说Python函数访问局部变量、全局变量；在定义装饰器的时候，还会使用自由变量。这些不同的变量是如何赋值、初始化、查找及修改的呢？各自的作用细则又是什么样的呢？本篇尝试解答这个问题。

Python中的变量名可以指代变量、函数、类、对象等。一般来说，每个对象都有一个变量名指向，更准确说是 绑定。

作用域的必要性

为啥变量要有作用域呢？

我们在Python里遇到的内置、局部、全局及自由变量，就是说变量的作用域。

语言区分作用域，是为了复用变量名。引入作用域，相当于给变量划分了各自的“隔离区”，在不同”隔离区“里，查找变量变得很容易。

正是因为有了作用域，我们在函数内才可以随意使用变量名，而不担心其与全局变量、其他函数中的变量冲突——因为这两个作用域是分割的。

BASIC语言只有全局变量，你能想象吗？你在一个函数里命名的循环变量i，很可能跟全局变量冲突。写起程序来，举步维艰。且会导致很多修改、检索问题，维护很困难。

Python变量定义的时间和空间

Python 有哪些作用域呢？

Python是动态类型语言，变量是在定义的时候赋值的。这句话的意思我们分以下几个方面来理解：

• a = 1 赋值时定义变量
• from tools import cubie 导入时定义变量 cubie
• def fun():pass 定义函数，绑定变量fun
• def fun(name=None):pass 定义变量name为函数fun的形式变量（也是局部变量），同时定义函数，绑定便令fun
• class Car:pass  定义类，绑定类名Car

以上，我们弄清了变量定义的时刻，下面来看变量的作用域，也就是变量的活动空间怎么规定出来的。

变量作用域取决于其 定义位置。

• 定义在函数内部的变量、定义在函数声明中的形式参数，视为局部变量。
• 定义在 .py 文件内的，且函数、类之外的变量，视为全局变量。
• 定义在函数中，嵌套函数外，且被嵌套函数引用的变量，视为自由变量。
• 定义在builtin中的变量，视为内置变量。

面对如此复杂的四种变量作用域，用一个例子来说明它们的访问规则。

LEGB规则

四个作用域遵循LEGB规则，让我们用一个例子来说明。

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    def inner(i1,i2='i2'):
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

其输出为 i1 i2 o1 o2 enclose global builtins

可见，在outer函数的嵌套函数inner中的输出语句 print(i1,i2,o1,o2,e,g,b) 是本程序的重点。其具体执行情况如下：

• print i1和i2，毫无疑问的局部变量。
• print o1和o2，本地作用域没有，向上查找到outer函数形参。形参也为局部变量，所以该变量实际定义在outer函数内，inner这个内嵌函数外，而inner内部引用了这个变量，所以视为自由变量。
• print e，本地作用域没有，类似上例，视为自由变量。
• print g，本地作用域没有，自由变量作用域（闭包）没有，一直上溯到全局作用局找到。
• print b，本地作用域没有，自由变量作用域（闭包）没有，全局作用局没有，一致上溯到内置变量空间找到。

至此，LEGB规则呼之欲出：在本地空间寻找不到的变量，逐级向上级寻找。这里的LEGB分别指代Local，Enclose，Global和Builtin。

在函数中读取和赋值全局变量，在内嵌函数中读取和赋值自由变量，会有一些不同的地方。

nonlocal 和 global

对变量名的赋值和引用，是两种不同的情况：

• 赋值：创建一个变量或者修改。
• 引用：检索其值。

以上两者的差别，会导致我们在函数中：

• 赋值一个
• 全局变量：等于创建一个局部变量。
• 自由变量：等于创建一个局部变量。
• 引用：正常检索其值。

我们修改上例中的inner函数为如下形式：

def inner(i1,i2='i2'):
    e = 'enclose'
    g = 'inner global'
    print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)

在嵌套函数内，重新定义了g变量，其他语言一般理解这是重新赋值全局变量。但是我们看上条规则：在函数中，赋值一个全局变量时，等于创建一个局部变量。就是说此时的g已经是局部变量了——在程序最后的 print(g) 语句输出 global，而不是修改后的 inner global 也验证了以上规则。

完整代码如下：

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    g = 'inner global'
    def inner(i1,i2='i2'):
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

print(g)

输出结果如下：

i1 i2 o1 o2 enclose inner global builtins
global

不重新赋值，只是使用全局变量和自由变量，则没有问题。

自由变量也是类似的情况。

为了解决局部作用域中赋值全局变量和自由变量导致的变成局部变量问题，Python引入关键字 global 和 nonlocal 。

def inner(i1,i2='i2'):
    global g
    nonlocal e
    g = 'inner global'
    e = 'inner enclose'

此时的赋值，则分别是对全局变量和自由变量的操作，而非新建局部变量。

完整代码如下：

import builtins

builtins.b = 'builtins'
g = 'global'

def outer(o1,o2='o2'):
    e = 'enclose'
    def inner(i1,i2='i2'):
        global g
        nonlocal e
        g = 'inner global'
        e = 'inner enclose'
        print(i1,i2,o1,o2,e,g,b)
    return inner 

fun = outer('o1') 
fun('i1')

print(g)

输出结果如下：

i1 i2 o1 o2 inner enclose inner global builtins
inner global

总结

• Python的作用域分为四种，分别是局部、全局、自由和内置；
• 定义变量的位置决定了变量的作用域；
• 作用域的查找遵守LEGB规则；
• 为了在局部作用域中修改全局变量和自由变量，引入了 global 关键字和 nonlocal 关键字。

作者简介

巩庆奎，大奎，对 Python、电子信息工程感兴趣，Email：gongqingkui@126.com