Python中的变量作用域与命名空间（Namespace）详解

描述：
Python中的变量作用域和命名空间是理解代码执行时变量查找规则的核心概念。命名空间是从名称到对象的映射集合，而作用域定义了在代码的哪个部分可以访问特定的命名空间。掌握这两者能帮你避免变量命名冲突，理解代码执行流程，并调试变量访问错误。

解题过程循序渐进讲解：

1. 命名空间（Namespace）的基本概念

• 命名空间是一个包含变量名称（键）和它们所引用对象（值）的字典
• 在Python中，主要有三种命名空间：
  • 内置命名空间：包含内置函数和异常（如print()、len()），在解释器启动时创建
  • 全局命名空间：模块级别的变量，在模块被导入时创建
  • 局部命名空间：函数或方法内部的变量，在函数调用时创建，函数返回时销毁

2. 作用域（Scope）的层级结构

• Python使用LEGB规则（从内到外）查找变量：

  Local → Enclosing → Global → Built-in
  

  • L（Local）局部作用域：当前函数或方法内部
  • E（Enclosing）闭包作用域：包含当前函数的嵌套函数外层
  • G（Global）全局作用域：当前模块（文件）级别
  • B（Built-in）内置作用域：Python内置的命名空间

3. 局部作用域示例分析

def my_function():
    x = 10  # 局部变量，只在函数内部可见
    print(f"局部x: {x}")

my_function()
# print(x)  # 这里会报错：NameError，因为x是局部变量

• 局部变量在函数调用时创建，函数返回时销毁
• 不同的函数可以有同名的局部变量，互不干扰

4. 嵌套函数与闭包作用域

def outer():
    y = 20  # 闭包作用域变量（对inner函数来说是enclosing作用域）
    
    def inner():
        z = 30  # 局部变量
        print(f"inner访问: y={y}, z={z}")  # y来自闭包作用域，z是局部变量
    
    inner()
    # print(z)  # 错误！z是inner的局部变量

outer()

• 内部函数可以访问外部函数的变量，但外部函数不能访问内部函数的变量
• 这就是闭包的基础：内部函数"记住"了外部函数的变量

5. 全局作用域与global关键字

count = 0  # 全局变量

def increment():
    global count  # 声明要修改全局变量
    count += 1
    local_var = 5  # 局部变量
    print(f"count={count}, local_var={local_var}")

increment()  # 输出: count=1, local_var=5
increment()  # 输出: count=2, local_var=5
print(f"全局count: {count}")  # 输出: 全局count: 2
# print(local_var)  # 错误！local_var是局部变量

• 函数内可以读取全局变量（无需声明）
• 但要修改全局变量，必须使用global关键字声明
• 没有global声明时，对变量赋值会创建新的局部变量

6. 非局部变量与nonlocal关键字

def outer():
    counter = 0
    
    def inner():
        nonlocal counter  # 声明要修改闭包作用域的变量
        counter += 1
        return counter
    
    return inner

func = outer()
print(func())  # 输出: 1
print(func())  # 输出: 2
print(func())  # 输出: 3

• nonlocal用于在嵌套函数中修改外部（非全局）函数的变量
• 与global类似，但针对的是闭包作用域而不是全局作用域
• 如果没有nonlocal声明，对变量赋值会创建新的局部变量

7. 命名空间的实际存储结构

# 查看不同的命名空间
x = 100  # 全局变量

def test():
    y = 200
    print("局部命名空间:", locals())  # 显示局部变量
    print("全局命名空间:", globals().get('x'))  # 显示全局变量x

test()
print("\n全局命名空间中的键:", list(globals().keys())[:5])  # 前5个键

• locals()：返回当前局部命名空间的字典
• globals()：返回当前全局命名空间的字典
• 内置命名空间可以通过dir(__builtins__)查看

8. 作用域链的查找顺序实验

# 验证LEGB查找顺序
str = "全局str"  # 覆盖内置的str

def test_legb():
    print(str)  # 这里访问的是全局的str，而不是内置的str
    # len = 5  # 如果取消注释，下一行会出错，因为len变成了局部变量
    print(len("hello"))  # 正常，访问内置的len函数

test_legb()

• Python按照LEGB顺序查找变量
• 如果在内层作用域找到了变量，就不再向外查找
• 内层变量可以"遮盖"外层同名变量

9. 类的作用域特殊性

class MyClass:
    class_var = "类变量"  # 类命名空间
    
    def __init__(self):
        self.instance_var = "实例变量"  # 实例命名空间
    
    def method(self):
        local_var = "局部变量"
        print(f"访问类变量: {self.class_var}")  # 通过self或类名访问
        print(f"访问实例变量: {self.instance_var}")
        print(f"访问局部变量: {local_var}")

obj = MyClass()
obj.method()
print(f"通过类访问: {MyClass.class_var}")
print(f"通过实例访问: {obj.class_var}")

• 类定义会创建新的命名空间
• 类变量属于类命名空间，实例变量属于实例命名空间
• 方法内部是局部作用域，但可以通过self访问实例属性

10. 常见陷阱与最佳实践

# 陷阱1：在循环或列表推导式中创建闭包
funcs = []
for i in range(3):
    funcs.append(lambda: print(f"i={i}"))  # 所有函数都引用同一个i

for f in funcs:
    f()  # 全部输出: i=2，因为i最后的值是2

# 解决方案：使用默认参数或创建新的作用域
funcs_fixed = []
for i in range(3):
    funcs_fixed.append(lambda i=i: print(f"i={i}"))  # 通过默认参数捕获当前值

for f in funcs_fixed:
    f()  # 正确输出: i=0, i=1, i=2

• 避免在闭包中意外修改外部变量
• 使用默认参数或functools.partial来捕获循环变量的当前值
• 明确使用global和nonlocal，避免意外的变量遮盖

总结：
理解Python的作用域和命名空间是编写可预测、可维护代码的关键。LEGB规则提供了清晰的变量查找路径，而global和nonlocal关键字允许在需要时跨越作用域边界。在实际编程中，应尽量减少跨作用域的变量修改，保持代码的清晰性和可预测性。