Python函数作用域

先来看一个问题：

x = 2

def func(x):
    x = 3 
    print(x)

func()
print x

这段程序的输出结果是

3
2

如果你知道为什么输出这样的结果而且知道里面的机制，接下来的文章可以不看了，如果不了解，可以继续看下去。

作用域介绍

当我们在代码里使用变量时，Python创建对象，改变对象 或 查找对象都是在一个所谓命名空间下进行的(一个保存变量名的地方)。

而函数除了打包代码之外，还定义了一个新的变量空间，一个函数所有的变量，都与函数的命名空间相关联：

• def 内定义的变量名能够被 def内的代码使用，不能在函数外部引用这样的变量名
• def之中的变量名与def之外的变量名并不冲突

也就是说：

• 如果一个变量在def内被赋值，它就被定义在这个函数之内
• 如果在def之外赋值，它就是整个文件全局的

那么回到一开始的问题：

x = 2

def func(x):
    x = 3 

尽管这两个变量名都是x，但是他们作用域(命名空间)可以把他们区别开。作用域(命名空间)有助于防止程序之间变量名的冲突，而且，有助于函数成为更加独立的单元。

在Python中，函数定义了一个函数本地内的作用域，而像x = 2这样赋值语句定义了一个全局作用域(模块级别的变量，使用范围仅限于单个文件)。 要注意的是，每次对函数的调用都会创建一个新的本地作用域。所有的变量名都可以分为本地变量 全局变量 或者Python内置变量。

在交互模式下(如 ipython ,jupyter notebook)赋值的变量，都位于一个叫__main__的内置模块中,以下是在ipython中 使用a = 2后，查看__main__模块的结果。

In [2]: import __main__

In [3]: a = 2

In [4]: dir(__main__)
Out[4]:
['In',
 'Out',
 '_',
 '__',
 '___',
 '__builtin__',
 '__builtins__',
 '__doc__',
 '__main__',
 '__name__',
 '__package__',
 '_dh',
 '_i',
 '_i1',
 '_i2',
 '_i3',
 '_i4',
 '_ih',
 '_ii',
 '_iii',
 '_oh',
 '_sh',
 'a',
 'exit',
 'get_ipython',
 'quit']

在__builtin__模块中，有Python预定义的变量名，我们同样可以通过dir(__builtin__)进行查看。

In [5]: dir(__builtin__)
Out[5]:
['ArithmeticError',
 'AssertionError',
 'AttributeError',
 'BaseException',
 'BufferError',
 'BytesWarning',
 'DeprecationWarning',
 'EOFError',
 'Ellipsis',
 'EnvironmentError',
 'Exception',
 'False',
 'FloatingPointError',
 'FutureWarning',
 'GeneratorExit',
 'IOError',
 'ImportError',
 'ImportWarning',
 'IndentationError',
 'IndexError',
 'KeyError',
 'KeyboardInterrupt',
 'LookupError',
 'MemoryError',
 'NameError',
 'None',
 'NotImplemented',
 'NotImplementedError',
 'OSError',
 'OverflowError',
 'PendingDeprecationWarning',
 'ReferenceError',
 'RuntimeError',
 'RuntimeWarning',
 'StandardError',
 'StopIteration',
 'SyntaxError',
 'SyntaxWarning',
 'SystemError',
 'SystemExit',
 'TabError',
 'True',
 'TypeError',
 'UnboundLocalError',
 'UnicodeDecodeError',
 'UnicodeEncodeError',
 'UnicodeError',
 'UnicodeTranslateError',
 'UnicodeWarning',
 'UserWarning',
 'ValueError',
 'Warning',
 'ZeroDivisionError',
 '__IPYTHON__',
 '__debug__',
 '__doc__',
 '__import__',
 '__name__',
 '__package__',
 'abs',
 'all',
 'any',
 'apply',
 'basestring',
 'bin',
 'bool',
 'buffer',
 'bytearray',
 'bytes',
 'callable',
 'chr',
 'classmethod',
 'cmp',
 'coerce',
 'compile',
 'complex',
 'copyright',
 'credits',
 'delattr',
 'dict',
 'dir',
 'display',
 'divmod',
 'dreload',
 'enumerate',
 'eval',
 'execfile',
 'file',
 'filter',
 'float',
 'format',
 'frozenset',
 'get_ipython',
 'getattr',
 'globals',
 'hasattr',
 'hash',
 'help',
 'hex',
 'id',
 'input',
 'int',
 'intern',
 'isinstance',
 'issubclass',
 'iter',
 'len',
 'license',
 'list',
 'locals',
 'long',
 'map',
 'max',
 'memoryview',
 'min',
 'next',
 'object',
 'oct',
 'open',
 'ord',
 'pow',
 'print',
 'property',
 'range',
 'raw_input',
 'reduce',
 'reload',
 'repr',
 'reversed',
 'round',
 'set',
 'setattr',
 'slice',
 'sorted',
 'staticmethod',
 'str',
 'sum',
 'super',
 'tuple',
 'type',
 'unichr',
 'unicode',
 'vars',
 'xrange',
 'zip']

可以看到，预定义的包括python的关键字，异常，和一些内置模块等变量名。

在Python2.0及之前的版本中，Python只支持3种作用域：局部作用域，全局作用域，内置作用域; 在python2.2中，引入了一种新的作用域：嵌套作用域，本质上就是Python实现了闭包，相应的，变量查找顺序由之前的LGB变成了LEGB(L:Local-本地作用域, E:Enclosing-上一层结构中的本地作用域, G:Global-全局作用域, B:Built-in - 内置作用域)，变量名的引用分为4个作用域查找，首先是本地，之后是上个函数内，之后是全局，最后是去内置空间查找。

聊了LEGB变量查找原则之后，再看看如果需要在函数内部引用全局变量需要怎么做：

x = 3
def use_global_param():
    global x
    x = 3 - 2
    return x 

print use_global_param()

这样输出的结果就是1。但是这样做不太好，引入全局变量后，就会破坏函数的独立性，让程序变得难以理解和使用。比如以下这个例子

x = 5
def func():
    global x
    x = 6

def func2():
    global x
    x = 8

那执行交替执行两个函数后，x的值到底是多少呢？

在Python里，函数是可以嵌套声明的，比如我们可以这么声明函数：

def out():
    x = 1
    def inner():
        x = 2
        print(x) 
    inner()
out()
    

这个程序的运行结果是2，如果想操作out函数里面的变量，我们可以引入Python3提供的nonlocal关键字：

def out():
    x = 1
    def inner():
        nonlocal x
        print(x)
    inner()
out()

这样输出结果就是1.

最后来看一些代码片段，如果读者心中的结果和编译器的结果一致，那就说明函数作用域这块理解了。

x = 'spam'
def func():
    print x
func()

x = 'spam'
def func():
    x = 'hello'
func()
print(x)

x = 'spam'
def func():
    x = 'hello'
    print(x)
func()
print(x)

x = 'spam'
def func():
    global x
    x = 'hello'
func()
print(x)

x = 'spam'
def func():
    x = 'hello'
    def inner():
        print(x)
    inner()
func()
print(x)

def func():
    x = 'hello'
    def inner():
        nonlocal x
        x  = 'spam'
    inner()
    print(x)
func()

欢迎把答案写在下面！