Python中的变量作用域与nonlocal关键字

1. 问题描述
在Python中，当嵌套函数（内层函数）需要修改外层函数（非全局作用域）的变量时，直接赋值会因作用域规则而创建新的局部变量，而非修改外层变量。nonlocal关键字用于声明变量来自外层函数作用域，从而允许内层函数修改它。

2. 作用域基础与问题示例
Python作用域遵循LEGB规则（Local→Enclosing→Global→Built-in），但内层函数对外层变量的默认操作是只读。尝试修改时会引发问题：

def outer():
    x = 10
    def inner():
        x = 20  # 实际是创建新的局部变量x，而非修改外层的x
    inner()
    print(x)  # 输出10，外层x未被修改

此时，inner()中的x = 20被解释为局部变量赋值，与外层的x无关。

3. nonlocal的解决方案
使用nonlocal明确声明变量来自外层作用域：

def outer():
    x = 10
    def inner():
        nonlocal x  # 声明x来自外层作用域
        x = 20      # 修改的是外层函数的x
    inner()
    print(x)  # 输出20，修改成功

关键细节：

• nonlocal只能用于嵌套函数中，且变量必须已在外层函数中定义（否则报错SyntaxError）。
• 它向上查找最近一层的非全局作用域变量（跳过全局作用域）。

4. nonlocal与global的区别

• global用于声明全局作用域的变量（模块级别）：

  x = 10
  def func():
      global x
      x = 20  # 修改全局变量x
  

• nonlocal用于闭包环境，修改外层函数的变量，且不能指向全局变量。

5. 多层嵌套中的nonlocal行为
nonlocal会向上一层或多层查找，直到找到匹配的变量：

def outer():
    x = 10
    def middle():
        x = 15  # 若注释这行，inner()的nonlocal会直接找到outer的x
        def inner():
            nonlocal x  # 修改的是middle的x
            x = 20
        inner()
        print("middle:", x)  # 输出20
    middle()
    print("outer:", x)  # 输出10（未被修改）

6. 常见错误场景

• 未声明nonlocal时修改外层变量会创建局部变量：

  def outer():
      x = 10
      def inner():
          x += 1  # 报错！因为x未赋值，无法读取后再修改（等价于x = x + 1）
      inner()
  

  正确做法：在inner()开头添加nonlocal x。
• 若外层无同名变量，nonlocal会报错：

  def outer():
      def inner():
          nonlocal x  # SyntaxError: no binding for nonlocal 'x' found
  

7. 实际应用场景

• 状态保持：替代简单的类或全局变量，用于计数器、缓存等：

  def counter():
      count = 0
      def increment():
          nonlocal count
          count += 1
          return count
      return increment
  
  c = counter()
  print(c(), c())  # 输出1, 2
  

• 装饰器：在装饰器中记录调用状态或修改闭包变量。

总结
nonlocal通过显式声明打破了内层函数只能读取外层变量的限制，实现了闭包内对外层作用域变量的安全修改，是Python闭包编程中的重要工具。