Python中的变量作用域与LEGB规则

1. 问题描述

在Python中，当访问一个变量时，解释器会按照特定顺序在多个作用域中查找该变量。这一顺序被总结为LEGB规则，即Local（局部）→ Enclosing（嵌套）→ Global（全局）→ Built-in（内置）。理解LEGB规则对于避免变量名冲突、正确使用闭包和装饰器至关重要。

2. 作用域层级详解

2.1 Local（局部作用域）

• 范围：当前函数或方法内部。
• 特点：在函数内定义的变量（如x = 1）仅在该函数内可见。

def func():
    x = 10  # 局部变量
    print(x)  # 输出 10
func()
# print(x)  # 报错：x在外部未定义

2.2 Enclosing（嵌套作用域）

• 范围：外层嵌套函数的作用域（例如闭包中的外部函数）。
• 特点：当内层函数访问外层函数的变量时，会在此作用域查找。

def outer():
    y = 20  # 嵌套作用域变量
    def inner():
        print(y)  # 访问外层函数的y
    inner()
outer()  # 输出 20

2.3 Global（全局作用域）

• 范围：当前模块（文件）顶层定义的变量。
• 特点：在函数外定义的变量，或在函数内用global声明的变量。

z = 30  # 全局变量
def func():
    print(z)  # 访问全局变量
func()  # 输出 30

2.4 Built-in（内置作用域）

• 范围：Python内置的全局变量（如print、len等）。
• 特点：当变量在其他作用域未找到时，最后查找内置作用域。

def func():
    print(len("abc"))  # len来自内置作用域
func()  # 输出 3

3. LEGB查找顺序的验证

通过以下代码演示查找顺序：

x = "global"  # 全局变量

def outer():
    x = "enclosing"  # 嵌套作用域变量
    def inner():
        x = "local"  # 局部变量
        print(x)  # 优先查找局部作用域
    inner()

outer()  # 输出 "local"

逐步分析：

1. inner()内部访问x时，先在局部作用域找到x="local"，直接使用。
2. 若注释掉x="local"，则会查找嵌套作用域（x="enclosing"）。
3. 若嵌套作用域也没有x，则查找全局作用域（x="global"）。
4. 最后尝试内置作用域（如未定义x则报错NameError）。

4. 关键字global与nonlocal的作用

4.1 global

用于在函数内部修改全局变量：

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

4.2 nonlocal

用于在嵌套函数中修改外层函数的变量（非全局）：

def outer():
    x = 10
    def inner():
        nonlocal x  # 声明x为嵌套作用域变量
        x = 20
    inner()
    print(x)  # 输出 20
outer()

5. 常见错误与注意事项

1. 局部变量未定义错误：

def func():
    print(y)  # 错误：y未在局部定义，且外部无y
    y = 1

原因：赋值语句y=1会让y被解释为局部变量，但打印时尚未赋值。

2. 闭包变量捕获问题：

functions = []
for i in range(3):
    def func():
        return i
    functions.append(func)
print([f() for f in functions])  # 输出 [2, 2, 2]

原因：闭包中的i是嵌套作用域变量，最终值为循环结束值2。
解法：使用默认参数或lambda绑定当前值：

# 方法1：默认参数
def func(i=i):
    return i
# 方法2：lambda
functions = [lambda i=i: i for i in range(3)]

6. 总结

• LEGB规则是Python变量查找的基石，影响函数设计、闭包和装饰器。
• 使用global和nonlocal可跨作用域修改变量，但需谨慎避免污染全局状态。
• 在循环中创建闭包时，注意变量绑定的时机，必要时通过参数固化值。