后端|浅谈 Python 的作用域概念

在编程语言中，作用域（Scope）指的是代码变量的可访问范围，它直接影响到变量的可见性和生存周期。作用域的管理对于避免命名冲突、优化内存使用等方面至关重要。在不同的编程语言中，作用域的定义和管理可能存在显著差异。

Shell 的作用域概念

Shell 脚本通常是在类 Unix 系统中使用的一种命令解释器语言。常见的 Shell 包括 Bash、Zsh 等，它们主要用于系统命令的执行和自动化脚本的编写。Shell 语言的作用域定义与其他通用编程语言有很大不同，这种独特性来源于其设计初衷——Shell 作为系统管理和脚本自动化工具，并不以复杂的代码结构为设计目标，而是注重执行简单任务的高效性。 bash shell

Shell 中的作用域相对较为宽松。Shell 并不像很多现代编程语言那样严格地将作用域定义为函数级别。在 Shell 中，变量的作用域通常是全局的，这意味着变量在定义后可以在当前 Shell 环境的任意位置被引用和修改，而不局限于某一个特定代码块内。

Shell 变量可以在当前进程上下文中保持可见，也可以通过 export 命令将变量导出为环境变量，使其在子进程中可见。这种机制使得 Shell 的作用域管理更加接近进程管理而不是函数封装的作用域。Shell 的变量主要有以下几种情况：

全局变量：默认情况下，Shell 中声明的变量是全局变量，这意味着它们可以在定义之后的任意位置使用，包括在函数内部。例如，以下示例中定义了一个全局变量：


sh
 代码解读
复制代码
   # Shell 全局变量示例
   var="Hello World"
   
   func() {
       echo $var
   }
   
   func  # 输出 Hello World

在这个例子中，变量 var 在函数内部是可见的，表明该变量是全局的。

局部变量：在 Shell 中，使用 local 关键字可以将变量声明为局部变量，局部变量的作用范围仅限于当前函数内。例如：


sh
 代码解读
复制代码
   func() {
       local var="Local Hello"
       echo $var
   }
   
   func  # 输出 Local Hello
   echo $var  # 输出为空，因为 var 是局部变量

在上面的代码中，local 声明的变量 var 仅在函数 func 内部有效，出了函数作用域后，这个局部变量就不再存在了。

需要注意的是，Shell 的作用域控制在编写复杂脚本时可能会导致难以预测的变量覆盖问题，因为默认的全局变量可能在脚本的不同部分不经意间被修改。开发者可以通过小心地使用 local 关键字来避免这些问题，但与 Python 等语言相比，Shell 的作用域管理仍显得不够健全和严格。

Python 的作用域概念

与 Shell 不同，Python 作为一种通用编程语言，具备更加严谨和细致的作用域管理机制。Python 的作用域主要是基于函数和类的方法来管理的，同时也借助命名空间来进行变量的组织。Python 的作用域规则被称为 LEGB 规则，这是 Local（局部），Enclosing（闭包外层），Global（全局）和 Built-in（内建）作用域的缩写。学习 Python 的作用域，牢记 LEGB 规则

为了更好地理解 Python 的作用域，我们需要详细了解 LEGB 规则：

Local（局部作用域）：局部作用域是指当前函数或代码块内部定义的变量。在 Python 中，函数是最常见的局部作用域边界。在函数内声明的变量只能在函数内部访问，而在函数外部则无法访问。例如：


python
 代码解读
复制代码
   def func():
       local_var = "I am local"
       print(local_var)

   func()  # 输出 I am local
   print(local_var)  # NameError: name 'local_var' is not defined

在这个例子中，local_var 是函数 func 内部的局部变量，出了这个函数就无法访问。

Enclosing（闭包外层作用域）：闭包外层作用域是指嵌套函数中的外部函数作用域。在 Python 中，如果函数 A 内部定义了另一个函数 B，函数 B 的作用域可以访问函数 A 的局部变量。例如：


python
 代码解读
复制代码
   def outer():
       enclosing_var = "I am enclosing"
       
       def inner():
           print(enclosing_var)
       
       inner()

   outer()  # 输出 I am enclosing

图片出处：https://www.educba.com/scope-in-python/

在这个例子中，enclosing_var 是外层函数 outer 的局部变量，但它在内层函数 inner 中是可见的。

Global（全局作用域）：全局作用域指模块级别的作用域，通常是模块文件中定义的变量，可以在该模块的任何地方访问。例如：


python
 代码解读
复制代码
   global_var = "I am global"

   def func():
       print(global_var)

   func()  # 输出 I am global

在这个示例中，变量 global_var 是全局变量，它在函数 func 内部是可见的。

Built-in（内建作用域）：内建作用域指的是 Python 语言预定义的名称，比如常见的 len() 函数。这些内建名称在任意作用域中都是可访问的。例如：


python
 代码解读
复制代码
   def func():
       print(len("Hello"))

   func()  # 输出 5

Python 的作用域边界与函数

在 Python 中，函数的确是主要的作用域边界之一。每当定义一个新的函数时，就创建了一个新的局部作用域，这个作用域会将函数内的变量与外部环境隔离开，从而避免变量污染。这与 Shell 的作用域管理形成了鲜明的对比。在 Python 中，还可以通过关键字 global 和 nonlocal 来修改变量的作用域：

global 关键字：用于在函数内部声明一个全局变量，使得在函数内部可以对全局变量进行修改。例如：


python
 代码解读
复制代码
  global_var = "I am global"

  def func():
      global global_var
      global_var = "I have been modified globally"

  func()
  print(global_var)  # 输出 I have been modified globally

在这个示例中，使用 global 关键字使得函数 func 可以修改全局变量 global_var。

nonlocal 关键字：用于在嵌套函数中修改闭包外层作用域的变量。例如：


python
 代码解读
复制代码
  def outer():
      enclosing_var = "I am enclosing"
      
      def inner():
          nonlocal enclosing_var
          enclosing_var = "I have been modified"
      
      inner()
      print(enclosing_var)

  outer()  # 输出 I have been modified

在这个示例中，nonlocal 关键字使得内层函数 inner 可以修改外层函数 outer 的局部变量 enclosing_var。

Python 中类和模块的作用域

除了函数之外，Python 的类和模块也可以作为作用域的边界。类的变量和方法在类内部具有局部作用域，而模块中的变量在整个模块内都具有全局作用域。此外，Python 通过命名空间的概念将不同作用域的变量进行区分，防止不同作用域之间的变量冲突。

Python 的命名空间有以下几种类型：

内建命名空间：包含所有的内建名称，比如 int，list，print 等。
全局命名空间：包含模块级别的变量和函数。
局部命名空间：包含函数或方法内部的局部变量。

命名空间的存在使得 Python 能够更高效地管理不同层级的作用域，避免变量污染和命名冲突。

Shell 与 Python 作用域的比较

Shell 与 Python 的作用域管理方式在设计理念上有很大不同，这种不同源自于两者在设计之初的目标差异。

作用域的定义方式：在 Shell 中，变量默认是全局的，除非显式使用 local 关键字将其限制在函数内部。而 Python 则默认采用局部作用域来封装变量，并通过函数、类等封装结构来严格控制变量的可见性。这种差异使得 Python 的作用域管理更加精细和安全，而 Shell 更加灵活但容易引发变量污染。
变量的可见性：Shell 的全局变量在整个脚本中都可以被访问和修改，除非使用 local 将其封装在函数中。而 Python 中的局部变量仅在函数内可见，外部环境无法直接访问，除非通过 global 或 nonlocal 关键字来改变变量的作用域。
作用域的边界：Python 中，函数、类、模块都是作用域的边界，这些封装结构使得代码的管理更加清晰和安全。Shell 的函数虽然也可以限定变量的作用域，但由于 Shell 的全局变量的默认行为，使得这种作用域边界的划分显得不够明确。
进程间的作用域：在 Shell 中，变量可以通过 export 成为环境变量，从而在子进程中可见，这种方式使得变量的作用域不仅限于当前脚本，而可以扩展到子进程。而 Python 的作用域管理则主要是在单个解释器进程内进行，除非通过特殊手段（如环境变量、文件 I/O 或多线程共享变量等）来实现跨进程通信。

作用域管理带来的实际影响

Shell 的灵活性与危险性：Shell 变量的全局特性使得其在编写简单脚本时非常方便，变量可以在不同的函数之间自由传递，而不需要显式地定义或返回。这种灵活性在处理系统命令和自动化任务时非常高效。然而，这种全局特性也带来了风险，特别是在大型脚本或多人协作开发中，变量的意外覆盖很容易导致难以调试的错误。因此，良好的编程习惯是尽可能地使用 local 来限定函数中的变量作用域。
Python 的封装与安全性：Python 的作用域管理方式提供了良好的封装性和安全性，通过函数、类和模块来严格区分变量的可见性。这使得 Python 在编写复杂应用程序时更加可靠，减少了变量名冲突的风险，并提高了代码的可维护性。然而，在某些需要频繁在全局和局部之间传递变量的场景中，Python 的作用域限制可能会显得不够灵活，此时需要依赖 global 或设计全局状态管理器来解决问题。
性能影响：作用域管理还会影响到性能。Shell 中的全局变量因为在整个脚本生命周期内始终存在，可能会导致不必要的内存占用。而 Python 中局部变量的使用使得变量在离开作用域后即可被垃圾回收机制处理，从而提高内存使用效率。

总结

Shell 和 Python 在作用域管理上的差异反映了它们各自的设计目标。Shell 作为一种脚本语言，旨在快速地进行系统管理和任务自动化，因此它的变量管理较为宽松，默认采用全局作用域，方便不同函数之间的变量传递，但也带来了潜在的变量污染风险。Python 作为一种通用的编程语言，更注重代码的安全性和可维护性，通过函数、类和模块严格地划分作用域，并使用 LEGB 规则管理变量的可见性，从而有效地避免变量名冲突。

通过对比，可以看到 Python 语言中的函数确实是主要的作用域边界之一，而 Shell 中函数并不是唯一的作用域控制手段。Shell 默认全局的变量管理方式虽然提高了脚本编写的灵活性，但也增加了维护复杂度。Python 则通过局部和全局的明确区分，以及 global 和 nonlocal 关键字的辅助，实现了更加精细化的作用域管理。因此，Python 和 Shell 在作用域上的区别，可以总结为 Shell 更加灵活而不够严谨，Python 则更加封装而具有条理。