详解Python 中的命名空间、变量和范围

Python 是一门动态类型的语言，它的变量具有强大的动态特性。Python 中的变量实际上是一个指向对象的标识符，它拥有命名空间和范围。

命名空间

Python 中的命名空间指的是存储变量名称和其所指向的对象的对应关系的数据结构。命名空间可以是内置命名空间、全局命名空间和局部命名空间。

内置命名空间

内置命名空间是在 Python 解释器启动时创建的，其中包含了 Python 的内置函数和内置模块。内置命名空间是全局可用的。可以使用 dir(__builtins__) 命令来查看所有内置函数和变量。

全局命名空间

全局命名空间指的是在模块顶部定义的变量和函数的命名空间。它在执行模块时创建，并在模块生命期内一直存在。全局命名空间对于整个模块都是可见的，可以在函数中通过 global 关键字声明一个变量为全局变量。如果变量没有在函数中声明为全局变量，则它被视为局部变量。

局部命名空间

函数的局部命名空间指的是在函数体内定义的变量和函数的命名空间。它只在函数被调用时创建，并且在函数返回后被销毁。当使用 global 或 nonlocal 关键字在函数中声明变量时，变量将被视为全局或非局部变量。

以下示例演示了不同命名空间之间的影响：

a = 10  # 全局命名空间中的变量

def foo():
    a = 5  # 局部命名空间中的变量
    print("局部命名空间中的 a ：", a)

foo()
print("全局命名空间中的 a ：", a)

上述示例先定义了一个全局变量 a，然后在 foo 函数中重新定义了一个局部变量 a，最后输出两个变量。运行结果如下：

局部命名空间中的 a ： 5
全局命名空间中的 a ： 10

变量

Python 中的变量是一个可以改变的标识符，它代表了一个内存地址，指向存储在此地址处的值。

动态类型变量

Python 中的变量是动态类型的，这意味着它们的类型在运行时根据值动态推断。变量的类型可以随时更改，而不需要提前声明它的类型。

以下示例在运行时演示了变量的动态类型：

a = 10
print(a, type(a))  # 输出 10 <class 'int'>

a = "hello"
print(a, type(a))  # 输出 hello <class 'str'>

上面的代码演示了变量 a 的类型可以从整数变为字符串，这是动态类型变量的一种特性。

变量赋值

Python 中的变量赋值操作并不是将一个值复制到一个变量中，而是将这个变量绑定到一个对象（值的引用）。因此，当一个变量被赋予一个新的值时，它实际上是引用了一个新的对象地址。

以下示例演示了变量赋值的特性：

a = [1, 2, 3]  # 变量 a 引用了一个列表对象
b = a  # 变量 b 引用了与变量 a 相同的对象地址
b.append(4)  # 修改变量 b 引用的对象

print("变量 a 引用的对象：", a)
print("变量 b 引用的对象：", b)

上述代码中，变量 a 和 b 分别引用了相同的列表对象。当修改变量 b 引用的对象时，变量 a 引用的列表对象也会发生变化。运行结果如下：

变量 a 引用的对象： [1, 2, 3, 4]
变量 b 引用的对象： [1, 2, 3, 4]

范围

Python 中的范围指的是变量的可见性。Python 中的范围可以分为四种：内置作用域、全局作用域、局部作用域和闭包作用域。

内置作用域

内置作用域是全局的范围。Python 解释器在执行代码之前会构建内置作用域，其中包含所有内置函数和变量。这些函数和变量可以在程序中的任何位置访问。

以下示例展示了内置作用域中的变量和函数：

import builtins

dir(builtins)  # 查看所有内置函数和变量

全局作用域

全局作用域是在模块顶部定义的变量和函数的范围。全局作用域对于整个模块都是可见的。

以下示例演示了全局范围：

a = 10  # 全局变量

def func():
    print("a 的值是：", a)

func()  # 输出 a 的值是：10

局部作用域

局部作用域是函数中定义的变量和函数的范围。只有在函数内部定义的变量可以访问该函数。局部作用域可以包含内置作用域和全局作用域。

以下示例演示了局部作用域：

def func():
    b = 5  # 局部变量
    print("在函数中的 b :", b)

func()  # 输出在函数中的 b ：5

print(b)  # 报错：NameError: name 'b' is not defined

在上述代码中，变量 b 是一个局部变量，只能在函数内部访问。在函数之外访问变量 b 将引发 NameError 错误。

闭包作用域

闭包作用域是嵌套函数中的范围。如果内部函数引用了外部函数定义的变量，则该变量将被包含在闭包作用域中。

以下示例演示了闭包作用域：

def outer_func(a):
    def inner_func():
        print("在内部函数中的 a ：", a)

    return inner_func

new_func = outer_func(10)
new_func()  # 输出在内部函数中的 a ：10

在上述代码中，函数 outer_func 返回内部函数 inner_func 的引用。该函数引用并打印了变量 a，该变量由外部函数 outer_func 定义。