面试必问概念精讲：作用域与名字空间

作为 Python 面试官，每次面试中我几乎都会和候选人聊起 作用域 以及 名字空间 等基本概念。但就算这么基础的内容，也有不少人没有完全掌握，也因此与工作机会失之交臂。

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PI = 3.14

def circle_area(r):
  	return PI * r ** 2

class Dog(object):

  	def __init__(self, name):
      	self.name = name

  	def yelp(self):
      	print('woof, i am', self.name)

以这个程序为例，代码中出现的每个变量的作用域分别是什么？程序中总共涉及几个名字空间？ Python 以怎样的顺序查找一个变量呢？为了解答这些问题，需要对 Python 变量的作用域以及名字空间有准确的认识。

名字绑定

赋值

在 Python 中，变量只是一个与实际对象绑定起来的名字，变量定义本质上就是建立名字与对象的约束关系。因此，赋值语句本质上就是建立这样的约束关系，将右边的对象与左边的名字绑定在一起：

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a = 1

我经常在面试中问：除了赋值语句，还有哪些语句可以完成名字绑定？能准确回答的候选人寥寥无几。实际上，除了赋值语句外， Python 中还有好几类语句均与名字绑定相关，我们接着一一介绍。

模块导入

我们导入模块时，也会在当前上下文创建一个名字，并与被导入对象绑定：

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import xxx
from xxx import yyy

函数、类定义

我们定义函数/类时，本质上是创建了一个函数/类对象，然后将其与函数/类名绑定：

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def circle_area(r):
    return PI * r ** 2

class Dog(object):
    pass

as关键字

除此之外， as 关键字也可以在当前上下文建立名字约束关系：

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import xxx as yyy
from xxx import yyy as zzz

with open('/some/file') as f:
    pass

try:
    # do something
except SomeError as e:
    # handle error

以上这几类语句均可在当前上下文建立名字约束，有着与赋值语句类似的行为，因此可以看作是 广义的赋值语句 。

作用域

现在问题来了，一个名字引入后，它的可见范围有多大呢？

我们以一个面试真题开始讨论：以下例子中 3 个 print 语句分别输出什么？

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a = 1

def f1():
    print(a)

def f2():
    a = 2
    print(a)

print(a)

例子中，第1行引入的名字 a 对整个模块都可见，第4行和第10行均可访问到它，因此这两个地方输出 1 ；而第7行引入的名字 a 却只有函数 f2 内部可以访问到，第8行优先访问内部定义的 a ，因此这里将输出 2 。

由此可见，在不同的代码区域引入的名字，其影响范围是不一样的。第 1 行定义的 a 可以影响到 f1 ，而 f2 中定义的 a 却不能。再者，一个名字可能在多个代码区域中定义，但最终只能使用其中一个。

一个名字能够施加影响的程序正文区域，便是该名字的 作用域 。在 Python 中，一个名字在程序中某个区域能否起作用，是由名字引入的位置决定的，而不是运行时动态决定的。因此， Python 具有 静态作用域 ，也称为 词法作用域 。那么，程序的作用域是如何划分的呢？

Python 在编译时，根据语法规则将代码划分为不同的 代码块 ，每个代码块形成一个 作用域 。首先，整个 .py 文件构成最顶层的作用域，这就是 全局作用域 ，也称为 模块作用域 ；其次，当代码遇到 函数定义 ，函数体成为当前作用域的 子作用域 ；再次，当代码遇到 类定义 ，类定义体成为当前作用域的子作用域。

一个名字在某个作用域引入后，它的影响范围就被限制在该作用域内。其中，全局作用域对所有直接或间接内嵌于其中的子作用域可见；函数作用域对其直接子作用域可见，并且可以传递。

按照这个划分方式，真题中的代码总共有3个作用域： A 为最外层作用域，即全局作用域； f1 函数体形成作用域 B ，是 A 的子作用域； f2 函数体又形成作用域 C ，也是 A 的子作用域。

作用域 A 定义的变量 a 对于对 A 及其子作用域 B 、 C 可见，因此 f1 也可以访问到。理论上， f2 也可以访问到 A 中的 a ，只不过其作用域 C 也定义了一个 a ，优先访问本作用域内的。 C 作用域内定义的任何名字，对 A 和 B 均不可见。

A B C 三个作用域嵌套关系如左下所示，访问关系如右下所示：

箭头表示访问关系，例如作用域 B 中的语句可以访问到作用域 A 中的名字，反过来则不行。

闭包作用域

这个例子借助闭包实现提示信息定制功能：

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pi = 3.14

def circle_area_printer(hint):

	def print_circle_area(r):
		print(hint, pi * r ** 2)

	return print_circle_area

circle_area_en = circle_area_printer('Circle Area:')
circle_area_zh = circle_area_printer('圆面积：')

circle_area_en(2)
circle_area_zh(3)

根据前面介绍的规则，我们对代码进行作用域划分，结果如下：

A B C 三个作用域嵌套关系如左下所示，访问关系如右下所示：

毫无疑问， B C 均在全局作用域 A 内，因此都可以访问到 A 中的名字。由于 B 是函数作用域，对其子作用域 C 可见。因此， hint 属于 B 作用域，而位于 C 作用域的语句可以访问它，也就不奇怪了。

类作用域

我们接着以一个简单的类为例，考察类作用域：

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slogan = 'life is short, use python.'

class Dog(object):

    group = ''

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def yelp(self):
        print('woof,', slogan)

    def yelp_name(self):
        print('woof, i am', self.name)

    def yelp_group(self):
        print('woof, my group is', group)

根据前面介绍的规则，我们对代码进行作用域划分，结果如下：

其中， B 对应着类定义体，暂且叫做类作用域。各个作用域嵌套关系以及访问关系分别如下：

同样，全局作用域 A 对其他所有内嵌于其中的作用域可见。因此，函数 yelp 作用域 D 可以访问到全局作用域 A 中的名字 slogan 。但是由于 B 不是函数作用域，对其子作用域不可见。因此， yelp_group 函数作用域 F 访问不到类作用域 B 中的名字 group ，而 group 在全局作用域 A 中位定义，第 17 行便抛异常了。

在 Python 中，类可以动态创建，甚至在函数中返回。在函数中创建并返回类，可以按函数参数对类进行动态定制，有时很有用。那么，这种场景中的作用域又该如何划分呢？点击 阅读原文，获取更多详细内容！

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