Python中作用域規(guī)則和閉包的示例分析

小編給大家分享一下Python中作用域規(guī)則和閉包的示例分析，希望大家閱讀完這篇文章之后都有所收獲，下面讓我們一起去探討吧！

Python中的作用域

假設(shè)在交互式命令行中定義如下的函數(shù)：

>>> a = 1
>>> def foo():
    b = 2
    c = 3
    print "locals: %s" % locals()
    return "result: %d" % (a + b +c)
>>> a = 1
>>> def foo():
    b = 2
    c = 3
    print "locals: %s" % locals()
    return "result: %d" % (a + b +c)

上述代碼先給a賦值1，緊接著定義了一個(gè)函數(shù)：foo()。在函數(shù)foo()中我們定義了兩個(gè)整數(shù)b和c，函數(shù)的返回值為a、b、c三個(gè)數(shù)的和。

對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證：

# result
>>> foo()
locals: {'c': 3, 'b': 2}
result: 6
# result
>>> foo()
locals: {'c': 3, 'b': 2}
result: 6

根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果，foo()函數(shù)的返回值為6。上述的函數(shù)定義中只有b和c兩個(gè)變量的賦值，那調(diào)用函數(shù)是如何判斷a的值呢？這涉及到函數(shù)的作用域規(guī)則。本文摘錄《Python參考手冊(cè)（第4版）》中的相關(guān)論述：

每次執(zhí)行一個(gè)函數(shù)時(shí)， 就會(huì)創(chuàng)建心得局部命名空間。該命名空間代表一個(gè)局部環(huán)境，其中包含函數(shù)參數(shù)的名稱和在函數(shù)體內(nèi)賦值的變量名稱。解析這些名稱時(shí)：

解釋器將首先搜索局部命名空間；

如果沒(méi)有找到匹配的名稱，它就會(huì)搜索全局命名空間（函數(shù)的全局命名空間始終是定義該函數(shù)的模塊）；

如果解釋器在全局命名空間中也找不到匹配值，最終會(huì)檢查內(nèi)置命名空間；

如果在內(nèi)置命名空間中也找不到匹配值，就會(huì)引發(fā)NameError異常。

對(duì)應(yīng)于上面的例子，foo函數(shù)首先會(huì)在局部命名空間中找三個(gè)變量的匹配值。上述代碼中的locals()方法給出了foo函數(shù)局部命名空間的內(nèi)容?？梢钥闯?，局部命名空間是一個(gè)字典，包含b和c的值，這是因?yàn)槲覀冊(cè)趂oo函數(shù)中定義了這兩個(gè)變量。然而，局部命名空間中不包含a的值，所以就需要在全局命名空間中尋找?？梢允褂胈_globals__獲取一個(gè)函數(shù)的局部命名空間。

# foo函數(shù)的全局命名空間
>>> foo.__globals__
{'a': 1, '__builtins__': <module '__builtin__' (built-in)>, '__package__': None, '__name__': '__main__', 'foo': <function foo at 0x0000000004613518>, '__doc__': None}
# foo函數(shù)的全局命名空間
>>> foo.__globals__
{'a': 1, '__builtins__': <module '__builtin__' (built-in)>, '__package__': None, '__name__': '__main__', 'foo': <function foo at 0x0000000004613518>, '__doc__': None}

foo函數(shù)的全局命名空間中包含了內(nèi)置函數(shù)模塊、foo函數(shù)、變量a以及其他的一些參數(shù)。由于在foo函數(shù)的全局命名空間中找到了變量a，foo函數(shù)便返回三個(gè)變量的和。

Python閉包

上述的Python作用域規(guī)則具有普遍性。然而，在Python中“一切皆對(duì)象”，函數(shù)也不例外。這也就是說(shuō)可以把函數(shù)當(dāng)作參數(shù)傳遞給其他的函數(shù)，也可以放在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，還可以作為函數(shù)的返回結(jié)果。在這種情況下，Python的作用域規(guī)則會(huì)發(fā)生什么變化呢？我們還是舉一個(gè)例子：

>>> def foo():
    a = 1
    def bar():
      b = 2
      c = 3
      return a + b + c
    return bar

>>> def foo():
    a = 1
    def bar():
      b = 2
      c = 3
      return a + b + c
    return bar

在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)函數(shù)foo，并對(duì)變量a賦值。不過(guò)與之前的例子不同的是，在函數(shù)foo中我們還嵌套了一個(gè)函數(shù)bar，并且還定義了兩個(gè)變量，這個(gè)函數(shù)是作為函數(shù)foo的返回值。根據(jù)上面的作用域規(guī)則，函數(shù)foo的局部作用域既不是函數(shù)bar的局部作用域，也不是它的全局作用域，那函數(shù)bar能否正確匹配變量a的值呢？我們我們來(lái)驗(yàn)證一下這個(gè)函數(shù)是否能夠正常運(yùn)行。

# 調(diào)用函數(shù)foo()
>>> bar = foo()
# 返回值bar是一個(gè)函數(shù)
>>> bar
<function bar at 0x00000000045F3588>
# 調(diào)用bar()
>>> bar()
# 結(jié)果顯示為三個(gè)變量之和
6

以上的驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明，在上述嵌套的函數(shù)中，內(nèi)部函數(shù)可以正確地引用外部函數(shù)的變量，即使外部的函數(shù)已經(jīng)返回。

這種內(nèi)部函數(shù)的局部作用域中可以訪問(wèn)外部函數(shù)局部作用域中變量的行為，我們稱為： 閉包。內(nèi)部函數(shù)可以訪問(wèn)外部函數(shù)變量的特點(diǎn)很像將外部函數(shù)的變量直接“打包”到內(nèi)部函數(shù)中一樣，我們也可以這樣理解閉包：將組成函數(shù)的語(yǔ)句以及執(zhí)行這些語(yǔ)句的環(huán)境“打包”在一起時(shí)得到的對(duì)象稱為閉包。

和閉包相關(guān)的幾個(gè)對(duì)象
為了了解閉包是怎么實(shí)現(xiàn)內(nèi)部函數(shù)對(duì)外部函數(shù)變量的引用，還需要對(duì)閉包相關(guān)的幾個(gè)對(duì)象進(jìn)行介紹。關(guān)于這幾個(gè)對(duì)象會(huì)涉及到Python的底層實(shí)現(xiàn)，本文中對(duì)此不加以詳述，可以參考以下文章：

不過(guò)，為了直觀地說(shuō)明閉包的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（不分析底層實(shí)現(xiàn)），這里先簡(jiǎn)單介紹以下code對(duì)象。code對(duì)象是指代碼對(duì)象，表示編譯成字節(jié)的的可執(zhí)行Python代碼，或者字節(jié)碼。它有幾個(gè)比較重要的屬性：

co_name：函數(shù)的名稱
co_nlocals: 函數(shù)使用的局部變量的個(gè)數(shù)
co_varnames: 一個(gè)包含局部變量名字的元組
co_cellvars: 是一個(gè)元組，包含嵌套的函數(shù)所引用的局部變量的名字
co_freevars: 是一個(gè)元組，保存使用了的外層作用域中的變量名
co_consts： 是一個(gè)包含字節(jié)碼使用的字面量的元組

其中比較關(guān)鍵的是co_varnames和co_freevars兩個(gè)屬性。我們對(duì)上面的例子稍加修改：

Python

>>> def foo():
    a = 1
    b = 2
    def bar():
      return a + 1
    def bar2():
      return b + 2
    return bar
>>> bar = foo()
# 外層函數(shù)
>>> foo.func_code.co_cellvars
('a', 'b')
>>> foo.func_code.co_freevars
()
# 內(nèi)層嵌套函數(shù)
>>> bar.func_code.co_cellvars
()
>>> bar.func_code.co_freevars
('a',)

>>> def foo():
    a = 1
    b = 2
    def bar():
      return a + 1
    def bar2():
      return b + 2
    return bar
>>> bar = foo()
# 外層函數(shù)
>>> foo.func_code.co_cellvars
('a', 'b')
>>> foo.func_code.co_freevars
()
# 內(nèi)層嵌套函數(shù)
>>> bar.func_code.co_cellvars
()
>>> bar.func_code.co_freevars
('a',)

以上說(shuō)明外層函數(shù)的code對(duì)象的co_cellvars保存了內(nèi)部嵌套函數(shù)需要引用的變量的名字，而內(nèi)層嵌套函數(shù)的code對(duì)象的co_freevars保存了需要引用外部函數(shù)作用域中的變量名字。具體來(lái)說(shuō)，就是foo函數(shù)中嵌套了兩個(gè)函數(shù)，它們都需要引用foo函數(shù)局部作用域中的變量，所以foo.func_code.co_cellvars便包含變量a和變量b的名稱。而函數(shù)bar是foo的返回值，只引用了變量a，因此bar.func_code.co_freevars中便只包含變量a。

內(nèi)部函數(shù)和外部函數(shù)的co_freevars、co_cellvars的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得在函數(shù)編譯過(guò)程中內(nèi)部函數(shù)具有了一個(gè)閉包的特殊屬性__closure__（底層中對(duì)此有相關(guān)實(shí)現(xiàn)）。__closure__屬性是一個(gè)由cell對(duì)象組成的元組，包含了由多個(gè)作用域引用的變量。可以做以下驗(yàn)證：

>>> foo.__closure__   #None
# 內(nèi)部函數(shù)bar對(duì)變量a的引用
>>> bar.__closure__
(<cell at 0x00000000044F6798: int object at 0x0000000003FA4B38>,)
# 內(nèi)部函數(shù)bar引用的變量a的值
>>> bar.__closure__[0].cell_contents
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看完了這篇文章，相信你對(duì)“Python中作用域規(guī)則和閉包的示例分析”有了一定的了解，如果想了解更多相關(guān)知識(shí)，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！