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本文主要介绍 Python 的命名空间和作用域，以及 nonlocal 和 global 的用法。阅读本文预计需要 15 min。

1. 前言

Python 命名空间(Namespace)和作用域(Scope)对于所有 Python 程序员都非常有用。弄明白 Python 命名空间和作用域对于我们 Python 编程和调试 Bug 都很有用！

为什么需要命名空间和作用域呢？从设计层面，我目前的理解是为了计算机正确执行代码。有了规范协议，按照规范协议写代码，开发人员和计算机就能互相理解对方，默契配合，代码也就能正确执行。把这些当做一个规范协议，符合规范的代码，才能正确执行，不然就是 Bug 了。

本文主要内容：

• 命名空间
• 作用域
• 全局变量 VS 局部变量
• global VS nonlocal

2. 命名空间

命名空间（Namespace)：指的是从名字(Name)到对象(Object)的映射(Mapping)。可以把它理解为一张“映射表”。

这像我们初中学的映射关系，命名空间是名字和对象的一张映射表。通过名字，我们就可以找到这个对象的位置。如同，名字是钥匙，对象是房间，一把钥匙打开一间房间。

命名空间是互相独立的。关于命名空间的重要一点是，不同命名空间中的名称之间绝对没有关系，在不同的映射表中可以出现相同的名字，而不会出问题，例如，两个不同的模块都可以定义一个 maximize 函数而不会产生混淆，只要模块的用户在其前面加上模块名称。

Python 中常见的命名空间有：

• 存放内置函数的集合（包含 abs() 这样的函数，和内建的异常等），可以认为是”内置函数映射表“。
• 模块中的全局名称，可以认为是“模块映射表”。
• 函数调用中的局部名称，可以认为是“函数映射表”。

在不同时刻创建的命名空间拥有不同的生命周期。：

• 内置名称的命名空间：是在 Python 解释器启动时创建的，永远不会被删除，直到退出 Python。如：Python 内置的关键字、函数等就放在这个里面。
• 模块的全局命名空间：在模块定义被读入时创建；通常，模块命名空间也会持续到解释器退出。被解释器的顶层调用执行的语句，从一个脚本文件读取或交互式地读取，被认为是 __main__ 模块调用的一部分，因此它们拥有自己的全局命名空间。如：我们定义的全局变量就放在模块的全局命名空间。（内置名称实际上也存在于一个模块中；这个模块称作 builtins 。）
• 函数的局部命名空间：在这个函数被调用时创建，并在函数返回或抛出一个不在函数内部处理的错误时被删除。（事实上，比起描述到底发生了什么，忘掉它更好。）当然，每次递归调用都会有它自己的局部命名空间。如：我们定义的局部变量就放在局部命名空间。

相信现在，大家对于命名空间有了基本的理解，简单说，它就是一个名字和对象的映射表。一个程序运行的时候，会生成很多个映射表（命名空间），那么这些命名空间有什么用呢？接下来就介绍作用域。

3. 作用域

作用域（Scope）： 是一个命名空间（映射表）可直接访问的 Python 程序的文本区域。 这里的 “可直接访问” 意味着对名称的非限定引用会尝试在不同命名空间中查找名称。

这是官方文档给的解释。我的理解是：把源代码（程序）比作中国的话，命名空间（映射表）就是各级人民政府，作用域就好比各级人民政府管辖的区域（代码文本片段），即映射表管理的代码文本片段。如：一个函数的命名空间（映射表）管理的范围就是这个函数代码文本。

我们知道中央可以管理地方，地方不可以管理中央。命名空间（映射表）也是一样的，有些命名空间（映射表）可以管理整个代码，有些命名空间（映射表）只能管理一个函数代码。那么问题来了，这么多命名空间（映射表），Python 是怎么找到需要的对象的呢？

其实，跟政府管理时，一级一级向上报告一样，Python 也是一级一级的不同的命名空间（映射表）查找，如果所有的映射表都找不到，就报错。

查找的顺序就是之前说过的 LEGB 原则。

作用域是静态确定，动态使用。 在 Python 程序运行的任何时间，至少有 3 个命名空间是能够直接访问的作用域：

1. 首先搜索包含局部名称（局部变量）的最内部的作用域。这是最先查找的命名空间（映射表），可以当作村委，处在基层，最下面的位置。(Local, scope L)

2. 从最近的闭包作用域开始搜索的任何闭包函数的作用域，如：非局部名称(non-local 变量)、非全局名称(non-global)等。简单说就是存在函数嵌套时，一级一级往上层函数的命名空间查找。Enclosing scope, E)

3. 倒数第二个作用域是包含当前模块全局名称（全局变量）的命名空间（映射表）。如：全局变量。(Global scope, G)

4. 最后搜索最外面的作用域，即包含内置名称（内置函数、关键字等）的命名空间（映射表）。(Builtin scope, B)

注意：类定义单独放在一个局部作用域的命名空间。

重要的是应该意识到作用域是按代码文本来确定的：在一个模块内定义的函数的全局作用域就是该模块的命名空间，无论该函数从什么地方或以什么别名被调用。 另一方面，实际的名称（变量）搜索是在运行时动态完成的 — 但是，Python 正在朝着“编译时静态名称解析”的方向发展，因此不要过于依赖动态名称解析！ （事实上，局部变量已经是被静态确定了。）这部分了解一下就行。

4. 全局变量 VS 局部变量

全局变量通常是指在函数外定义的变量，它的引用和赋值都是跟模块的命名空间（映射表）关联，所以它的声明生命周期和模块一样，直到程序结束执行，或者这个全局变量被删除，它就从映射表中被删除。

局部变量通常是指函数内定义的变量。这个函数被调用时，创建这个函数的命名空间（映射表），函数调用结束时删除。

举个栗子：

city = '武汉'  # 这是全局变量，作用域是全局，放在模块命名空间（映射表）def my_info():name = 'Jock'  # 这是局部变量，作用在局部print(f"打印局部变量name：{name}")print(f"打印全局变量city：{city}")  # 这时city变量是在模块命名空间（映射表)找到my_info()
print(f"在函数外打印全局变量city：{city}")# NameError: name 'name' is not defined，因为name变量作用在函数my_info，
# 函数调用结束，函数的命名空间被删除，name 不存在了
# print(f"在函数外打印局部变量name：{name}")输出结果：
打印局部变量name：Jock
打印全局变量city：武汉
在函数外打印全局变量city：武汉

这里说明一下，name 是局部变量，放在 my_info 函数的命名空间，只作用于函数里面，所以无法在函数外使用。

如果在函数内尝试修改全局变量的话，那么 Python 会在函数内重新创建一个新的局部变量，这个变量的名字和全局变量名字一样，只不过局部变量放在函数命名空间，全局变量放在模块命名空间。

测试如下：

city = '武汉'  # 这是全局变量，作用域是全局，放在模块命名空间（映射表）def my_info():city = '桂林'print(f"函数内变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在函数内打印变量city：{city}")my_info()
print(f"函数外变量city的内存地址是：{id(city)}")
print(f"在函数外打印变量city：{city}")输出结果：
函数内变量city的内存地址是：2619120672560
在函数内打印变量city：桂林
函数外变量city的内存地址是：2619120920496
在函数外打印变量city：武汉

可以发现函数里的变量 city 和函数外的变量 city 内存地址不一样，说明是不同的两个对象。

那么如何实现在函数内修改全局变量呢？接下来就介绍两个关键字 global 和 nonlocal

5. global VS nonlocal

global：用于声明全局变量，可以在函数内声明全局变量，然后实现对全局变量的修改。

举栗子：

city = '武汉'  # 这是全局变量，作用域是全局，放在模块命名空间（映射表）def my_info():global city  # 声明city为全局变量city = '桂林'  # 这时修改的是全局变量print(f"函数内变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在函数内打印变量city：{city}")my_info()
print(f"函数外变量city的内存地址是：{id(city)}")
print(f"在函数外打印变量city：{city}")输出结果：
函数内变量city的内存地址是：2042908827440
在函数内打印变量city：桂林
函数外变量city的内存地址是：2042908827440
在函数外打印变量city：桂林

可以发现，成功实现了对全局变量的修改。
使用 global 有一些注意事项：

1. global 后声明的变量在本作用域中必须没有被使用。global city 和 city = '桂林' 互换位置会报错。这有点必须先声明后使用的感觉。
2. global 后声明的变量不能用于函数的正式形参、 for 循环的控制目标、class 定义、函数定义、import 语句和变量标注。这部分的话，没啥经验，我也不太清楚，读者有知道的，欢迎留言交流。

nonlocal：在嵌套函数中，在内层函数声明 nonlocal 可以实现修改外层函数的局部变量值。

举栗子：

def my_info():city = "武汉"  # 外层函数局部变量def my_city():city = "桂林"print(f"在内层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在内层函数打印变量city：{city}")my_city()print(f"在外层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在外层函数打印变量city：{city}")my_info()结果输出：
在内层函数变量city的内存地址是：1265469990832
在内层函数打印变量city：桂林
在外层函数变量city的内存地址是：1265469742896
在外层函数打印变量city：武汉

可以发现，在嵌套函数中，外层函数中的变量，相对于内层函数来说，只可读不可修改。在内层函数尝试修改外层函数的变量，会在内层函数重新创建一个新的局部变量，而外层函数的变量依然存在。注意，在内部函数中不能先访问外部函数变量，之后再定义一个同名的局部变量，这样也会报错。如下：

def my_info():city = "武汉"  # 外层函数局部变量def my_city():print(f"在内层函数访问外层函数变量city：{city}")city = "桂林"print(f"在内层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在内层函数打印变量city：{city}")my_city()print(f"在外层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在外层函数打印变量city：{city}")my_info()输出结果：
UnboundLocalError: local variable 'city' referenced before assignment

即 Python 解释器会认为你的局部变量没有赋值定义就使用了，所以报错。

那么如何实现内部函数修改外部函数局部变量呢？通过 nonlocal 实现。

def my_info():city = "武汉"  # 外层函数局部变量def my_city():nonlocal  citycity = "桂林"print(f"在内层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在内层函数打印变量city：{city}")my_city()print(f"在外层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在外层函数打印变量city：{city}")my_info()输出结果：
在内层函数变量city的内存地址是：2628557791024
在内层函数打印变量city：桂林
在外层函数变量city的内存地址是：2628557791024
在外层函数打印变量city：桂林

可以发现，通过 nonlocal 成功实现了在内层函数修改外层函数局部变量。
使用 nonlocal 需要注意：nonlocal 后面跟着的变量必须是外层函数的局部变量，否则会报错。SyntaxError: no binding for nonlocal 'XXX' found。如：

def my_info():city = "武汉"  # 外层函数局部变量def my_city():nonlocal  citynonlocal  namecity = "桂林"print(f"在内层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在内层函数打印变量city：{city}")my_city()print(f"在外层函数变量city的内存地址是：{id(city)}")print(f"在外层函数打印变量city：{city}")my_info()输出结果：
SyntaxError: no binding for nonlocal 'name' found

下面展示一个官方文档给的例子，如果能够看明白，下面的例子，相信大家已经彻底搞明白了 global 和 nonlocal 的用法，对于作用域和命名空间也有了更深的认识。
global 和 nonlocal 的用法：

def scope_test():def do_local():spam = "local spam"def do_nonlocal():nonlocal spamspam = "nonlocal spam"def do_global():global spamspam = "global spam"spam = "test spam"do_local()print("After local assignment:", spam)do_nonlocal()print("After nonlocal assignment:", spam)do_global()print("After global assignment:", spam)scope_test()
print("In global scope:", spam)输出结果：
After local assignment: test spam
After nonlocal assignment: nonlocal spam
After global assignment: nonlocal spam
In global scope: global spam

说明：
可以看到内部函数 do_local() 不能修改外部函数 scope_test() 的局部变量，如果内部函数要修改外部函数的局部变量，需要用 nonlocal 关键字。通过 do_nonlocal() 的方式可以实现修改外部函数 scope_test() 的局部变量 spam，所以 spam 经过 do_nonlocal() 变为了 nonlocal spam 。内部函数 do_global() 中用 global 关键字声明了一个全局变量，然后对全局变量 spam 进行赋值(如果已存在全局变量 spam，则会修改原全局变量值)，但是这不会影响 scope_test() 函数中局部变量 spam 的值，因为这两个 spam 存放在不同的命名空间，外层函数中的 spam 依然是 nonlocal spam。

Python 的一个特殊规定是这样的：如果不存在生效的 global 或 nonlocal 语句 – 则对名称的赋值总是会进入最内层作用域。 赋值不会复制数据 — 它们只是将名称（变量）绑定到对象。 删除也是如此：语句 del x 会从局部作用域所引用的命名空间中移除对 x 的绑定。 有点像给一个对象贴标签（赋值）和撕标签（删除）的过程。

事实上，所有引入新名称的操作都是使用局部作用域：特别地，import 语句和函数定义会在局部作用域中绑定模块或函数名称。

6. 小结

1. 命名空间是一个名字（变量）和对象的映射表。
2. 作用域是指命名空间的作用范围，或者说管辖区域。
3. 变量的查找遵循 LEGB 原则，先从基层（最内层函数找），然后到市委（外层函数）…，再到省委（模块命名空间），最后到中央（builtin 命名空间）。
4. 各个命名空间相互独立，创建时间和生命周期各不相同。
5. global 用于在函数内创建和修改全局变量。
6. nonlocal 用于在内层函数修改外层函数局部变量。
7. 没有声明 global 和 nonlocal，尝试修改全局变量或外层函数局部变量，实际上只会在函数或者内层函数创建一个新的局部变量，同名的全局变量或者外层函数局部变量不会受影响。

7. 巨人的肩膀

1. Pytho 官网作用域和命名空间英文版
2. The global statement and The nonlocal statement

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7. 一文了解Python的模块和包

后记：
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2020下半年进入职场，深感自己的不足，所以2021年给自己定了个计划，每日学一技，日积月累，厚积薄发。
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