Python 中的命名空间和作用域是什么？

2024年8月29日 | 阅读 10 分钟

在一个满是学生的教室里，至少有两名学生同名的可能性很高。我们如何称呼这些学生？我们会使用姓氏或别名来唯一识别每个人。在 Python 的对象教室中，需要个体身份。面对大量对象，Python 使用命名空间的概念来管理名称。在本教程中，我们将学习“命名空间”的含义以及更多概念，并附带示例。

Python 中的对象可以是任何东西，从变量到方法。Python 将所有对象的名称以字典的形式存储，其中名称作为键，对象作为值。

Dict = {名称1: 对象1, 名称2: 对象2…}

命名空间的定义

Python 中的命名空间是定义的对象及其名称的集合，以字典的形式定义。命名空间中的每个名称:对象（键:值）对都解释了一个对应的对象。

Python 有许多内置库，因此也有许多内置对象。要检查 Python 中的所有内置对象

打开 cmd
输入 python3 或 py
使用命令

输出

['ArithmeticError', 'AssertionError', 'AttributeError', 'BaseException', 'BlockingIOError', 'BrokenPipeError', 'BufferError', 'BytesWarning', 'ChildProcessError', 'ConnectionAbortedError', 'ConnectionError', 'ConnectionRefusedError', 'ConnectionResetError', 'DeprecationWarning', 'EOFError', 'Ellipsis', 'EnvironmentError', 'Exception', 'False', 'FileExistsError', 'FileNotFoundError', 'FloatingPointError', 'FutureWarning', 'GeneratorExit', 'IOError', 'ImportError', 'ImportWarning', 'IndentationError', 'IndexError', 'InterruptedError', 'IsADirectoryError', 'KeyError', 'KeyboardInterrupt', 'LookupError', 'MemoryError', 'ModuleNotFoundError', 'NameError', 'None', 'NotADirectoryError', 'NotImplemented', 'NotImplementedError', 'OSError', 'OverflowError', 'PendingDeprecationWarning', 'PermissionError', 'ProcessLookupError', 'RecursionError', 'ReferenceError', 'ResourceWarning', 'RuntimeError', 'RuntimeWarning', 'StopAsyncIteration', 'StopIteration', 'SyntaxError', 'SyntaxWarning', 'SystemError', 'SystemExit', 'TabError', 'TimeoutError', 'True', 'TypeError', 'UnboundLocalError', 'UnicodeDecodeError', 'UnicodeEncodeError', 'UnicodeError', 'UnicodeTranslateError', 'UnicodeWarning', 'UserWarning', 'ValueError', 'Warning', 'WindowsError', 'ZeroDivisionError', '__build_class__', '__debug__', '__doc__', '__import__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'abs', 'all', 'any', 'ascii', 'bin', 'bool', 'breakpoint', 'bytearray', 'bytes', 'callable', 'chr', 'classmethod', 'compile', 'complex', 'copyright', 'credits', 'delattr', 'dict', 'dir', 'divmod', 'enumerate', 'eval', 'exec', 'exit', 'filter', 'float', 'format', 'frozenset', 'getattr', 'globals', 'hasattr', 'hash', 'help', 'hex', 'id', 'input', 'int', 'isinstance', 'issubclass', 'iter', 'len', 'license', 'list', 'locals', 'map', 'max', 'memoryview', 'min', 'next', 'object', 'oct', 'open', 'ord', 'pow', 'print', 'property', 'quit', 'range', 'repr', 'reversed', 'round', 'set', 'setattr', 'slice', 'sorted', 'staticmethod', 'str', 'sum', 'super', 'tuple', 'type', 'vars', 'zip']

builtins 是 Python 中的一个模块，其中包含 Python 中的所有内置标识符。我们使用 dir() 方法获取模块的属性和方法列表。
这个命名空间称为内置命名空间，解释器在我们启动 Python 时创建它，并一直保留到我们终止会话。

Python 使用命名空间来识别对象。它如何识别两个同名的对象？

首先，Python 中有 3 种类型的命名空间

我们已经学习了内置命名空间
全局命名空间
局部命名空间

顾名思义

内置命名空间是 Python 中内置对象的名称集合
全局命名空间是程序主体中定义的自定义对象的名称集合。Python 还会为我们导入程序中的模块和库创建全局命名空间。
当 Python 发现函数调用并到达函数定义时，它会为函数创建一个命名空间。局部命名空间收集在函数体内部定义的自定义对象的名称。这些命名空间只在函数执行期间维护。

请看以下示例

def enclosing_function():
    #Body of enclosing_function
    def enclosed_function():
        #Body of enclosed_function
        return
    enclosed_function()
    return

#Main body
enclosing_function()

有一个函数 enclosing_function，在其主体中定义了另一个函数 enclosed_function。
首先，enclosing_function 的名称存储在全局命名空间中，主程序调用 enclosing_function 并为其创建一个命名空间。
enclosed_function 的名称存储在 enclosing_function 的命名空间中。
enclosing_function 调用 enclosed_function 并为其创建一个命名空间。
因此，上述示例中有两个局部命名空间。每个命名空间只存在直到相应的函数终止。

全局命名空间	外层命名空间	内层命名空间
Enclosing_function	Enclosed_function

请注意，在单个命名空间中，不能存在两个同名的同类型对象。在不同的命名空间中可以存在同名同类型的对象。因此，一个对象可以同时存在于多个命名空间中。

这里又有一个问题

当同名对象存在于多个命名空间中时，Python 如何找出我们指的是哪个对象？

答案在于一个叫做“作用域”的概念。

对象的范围是程序中它具有意义的部分。根据对象的定义位置和引用位置，解释器确定对象的范围。

当我们在程序中引用一个对象来查找它时，Python 遵循一个名为 LEGB 规则

L: 局部命名空间

E: 外层命名空间

G: 全局命名空间

B: 内置命名空间

假设我们引用了一个变量 a

解释器首先在引用的局部函数体内部搜索。
如果未找到 a，并且存在另一个函数包含局部函数，则它会在外层函数的体内搜索 a。
然后，它会在全局命名空间中查找。
最后，如果以上搜索均未成功，则它会在 Python 的内置命名空间中搜索。
如果解释器在上述任何搜索中都找不到 a，则表示 a 未定义。它会引发 NameError 异常。

以下是一些示例

示例 1

a = "object"
def enclosing_function():
    #Body of enclosing_function
    def enclosed_function():
        #Body of enclosed_function
        print(a)
    enclosed_function()

#Main body
enclosing_function()

输出

object

理解

在上面的程序中，我们在 enclosed_function() 内部引用 a。

命名空间

全局命名空间	外层命名空间	内层命名空间
Enclosing_function, a	Enclosed_function

搜索将如下进行

L: 内层命名空间：未找到
E: 外层命名空间：未找到
G: 全局命名空间：找到

示例 2

a = "Global object"
def enclosing_function():
    #Body of enclosing_function
    def enclosed_function():
        a = "local object"
        #Body of enclosed_function
        print(a)
    enclosed_function()

#Main body
enclosing_function()

输出

Local object

理解

我们在 enclosed_function() 内部引用了 a

命名空间

全局命名空间	外层命名空间	内层命名空间
Enclosing_function, a	Enclosed_function	a

搜索过程如下

1. L: 内层命名空间：找到

解释器打印内层命名空间中 a 的值，不再继续搜索。

示例 3

a = "Global"
def enclosing_function():
    #Body of enclosing_function
    a = "enclosing"
    def enclosed_function():
        #Body of enclosed_function
        print(a)
    enclosed_function()

#Main body
enclosing_function()

输出

enclosing

理解

我们在 enclosed_function() 内部引用了 a

命名空间

全局命名空间	外层命名空间	内层命名空间
Enclosing_function, a	Enclosed_function, a

搜索过程如下

L: 内层命名空间：未找到

E: 外层命名空间：找到

示例 4

def enclosing_function():
    #Body of enclosing_function
    def enclosed_function():
        a = "enclosed"
        #Body of enclosed_function
    enclosed_function()
    print(a)

#Main body
enclosing_function()

输出

NameError: name 'a' is not defined

理解

我们在 enclosing_function() 内部引用了 a

命名空间

全局命名空间	外层命名空间	内层命名空间
Enclosing_function	Enclosed_function	a

搜索过程如下

L: 外层命名空间：未找到

E: 无外层函数

G: 未找到

B: 未找到

因此，NameError

即使 a 在内层命名空间中定义，正如我们前面讨论的，函数的命名空间只在函数终止之前维护。因此，内层函数的作用域被限制在其主体内。

既然我们了解了命名空间的类型，这里有一点需要注意

全局和局部命名空间以字典的形式实现，正如我们前面讨论的。
内置命名空间不是以字典的形式实现。它是以模块的形式实现的。

访问命名空间

我们之前已经在教程中使用了 dir(__builtins__) 访问了内置命名空间。现在我们将学习如何访问全局和局部命名空间

全局命名空间

我们可以使用名为 globals() 的内置函数访问全局命名空间

在交互模式 (cmd) 中

>>> a = 'Globals'
>>> globals()

输出

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': , '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': , 'a': 'Global'}

理解

'a' : '全局'

这里，a 是名称，'全局' 是对象。

我们也可以在 IDE 中使用该函数 -> print(globals())

这里是另一个例子

>>> a = "Global"
>>> def f():
...     b = "local"
...
>>> globals()

输出

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': , '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': , 'a': 'Global', 'f': }

理解

我们创建了一个函数 f()，并在其中定义了一个局部变量 b。当我们调用 globals() 时

a 在命名空间中，而 b 不在，因为 b 是一个局部变量。
函数的名称在命名空间中，请注意它只是名称，函数将有其局部命名空间，其中包含 b。

根据您的应用程序，字典可以有不同的名称。由于它是一个字典，我们可以执行一些操作，例如

比较 (is)
添加条目
修改现有条目

>>> a = "Global"
>>> globals()
{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'a': 'Global', 'f': <function f at 0x000001587D25E040>}
>>> a is globals()['a']
True
>>> globals()['y'] = 'new'
>>> globals()
{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'a': 'Global', 'f': <function f at 0x000001587D25E040>, 'y': 'new'}
>>> globals()['a'] = 'change'
>>> globals()
{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'a': 'change', 'f': <function f at 0x000001587D25E040>, 'y': 'new'}

局部命名空间

与全局命名空间的 globals() 类似，有一个 locals() 函数用于访问局部命名空间。它应该在函数内部调用以获取函数的命名空间。如果它在函数外部使用，则它将表现得像 globals()。

这里有一个例子

>>> def add(b, c):
...     print(locals())
...     return b + c
...
>>> add(1, 2)

输出

{'b': 1, 'c': 2}
3

一些重要的点需要掌握

globals() 返回原始的全局命名空间字典。我们执行的每个更改和变量都会显示在原始全局命名空间中。您可以在上面的示例中观察到这一点。
另一方面，locals() 返回原始局部命名空间的副本。因此，即使我们进行任何更改，例如添加条目，我们也只会对我们使用的副本进行这些更改，而不会对原始局部命名空间进行更改。

这里有一个例子

>>> def add(a, b):
...     local = locals()
...     print(local)
...     local['a'] = 5
...     print(local)
...     print(locals())
...
>>> add(3, 4)

输出

{'a': 3, 'b': 4}
{'a': 5, 'b': 4}
{'a': 3, 'b': 4, 'local': {...}}

理解

在上面的示例中，我们创建了一个函数 add()。Python 为函数 add() 创建了一个局部命名空间。我们将 locals() 字典存储在局部变量中。我们修改了局部变量。请注意，更改并未反映在原始局部命名空间中，我们局部创建的副本已添加到局部命名空间中。因此，我们无法像修改全局命名空间那样修改原始局部命名空间。

修改

我们了解到，两个同名对象可以存在于不同的作用域中。现在，我们将看到哪些参数可以在哪些作用域中修改，哪些不能。

这里有两个重要的点

不可变对象不能在其作用域之外修改。
可变对象可以修改，但不能重新赋值。

让我们通过一个例子来理解第一点

>>> a = "Hi"
>>> def f():
...     a = "Hello"
...
>>> f()
>>> a
'Hi'

字符串是不可变的。我们在全局作用域中定义了一个字符串 a，并在函数 f() 内部尝试修改 a 的值。因此，打印的是全局作用域中 a 的值。

可变对象

>>> a = [1, 2, 3]
>>> def f():
...     a[2] = 4
...
>>> f()
>>> a
[1, 2, 4]

列表是可变的。因此，它在局部作用域中被修改。

如果我们尝试重新分配一个可变对象

>>> a = [1, 2, 3]
>>> def f():
...     a = [1, 2]
...
>>> f()
>>> a
[1, 2, 3]

当我们在局部作用域中重新赋值 a 时，将创建一个新的局部对象，因为两个同名对象可以存储在两个不同的命名空间中。因此，当我们在全局命名空间中引用 a 时，打印的是全局命名空间中的 a。

Python 从不让我们束手无策。如果我们需要在另一个作用域中修改不可变对象：

使用 global 声明
使用 globals() 函数
使用 nonlocal 声明

1. global 声明

假设我们想在函数（局部作用域）内部修改一个全局对象。为了阻止 Python 创建新的局部对象，我们可以使用 global 引用来引用全局对象

>>> a = "Hi"
>>> def f():
...     global a
...     a = "Hello"
...
>>> f()
>>> a
'Hello'

通过语句 global a，我们告诉解释器，函数内部对 a 的任何引用实际上都是对全局对象 a 的引用。

如果引用一个甚至不在全局命名空间中的全局对象会怎样？

>>> a
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'a' is not defined
>>> def f():
...     global a
...     a = "Hello"
...
>>> a
'Hello'
>>> globals()
{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'a': 'Hello', 'f': <function f at 0x000001587D44E310>, 'y': 'new', 'add': <function add at 0x000001587D44E3A0>}

是的，Python 会创建该对象并将其放置在全局命名空间中。

2. globals() 函数

使用此函数，我们可以访问全局命名空间并更新对象

>>> a = "Hey"
>>> def f():
...     globals()['a'] = "Hello"
...
>>> f()
>>> a
'Hello'

3. nonlocal 声明

如果我们要修改内层函数中外部函数的对象，可以使用 nonlocal 声明。全局声明或函数在这里不起作用，因为我们要修改的对象不在全局命名空间中，而是在外部函数的命名空间中。

这里有一个例子

>>> def f():
...     a = 30
...     def g():
... nonlocal a
...             a = 20
...     g()
...     print(a)
...
>>> f()
20

然而，不建议修改另一个作用域中的对象。我们可以使用带有返回值的函数。

结束清单

什么是命名空间？
命名空间的类型。
访问命名空间。
Python 查找对象的方式。
修改对象。
修改其他作用域中的对象。

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Python 中的命名空间和作用域是什么？

命名空间的定义

这里又有一个问题

假设我们引用了一个变量 a

理解

一些重要的点需要掌握

如果引用一个甚至不在全局命名空间中的全局对象会怎样？

结束清单

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假设我们引用了一个变量 a

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