摘要：正如儒家經(jīng)典所闡述修身齊家治國平天下。除此之外，模塊還有如下最基本的屬性在一個模塊的全局空間里，有些屬性是全局起作用的，稱之為全局變量，而其它在局部起作用的屬性，會被稱為局部變量。

導(dǎo)讀：Python貓是一只喵星來客，它愛地球的一切，特別愛優(yōu)雅而無所不能的 Python。我是它的人類朋友豌豆花下貓，被授權(quán)潤色與發(fā)表它的文章。如果你是第一次看到這個系列文章，那我強(qiáng)烈建議，請先看看它寫的前幾篇文章（鏈接見文末）,相信你一定會愛上這只神秘的哲學(xué)+極客貓的。不多說啦，一起來享用今天的“思想盛宴”吧！

喵喵，好久不見啦朋友們。剛吃完一餐美食，我覺得好滿足啊。

自從習(xí)慣了地球的食物以后，我的腸胃發(fā)生了一些說不清道不明的反應(yīng)。我能從最近的新陳代謝中感覺出來，自己的母胎習(xí)性正在逐漸地褪逝。

人類的食物在改變著我，或者說是在重塑著我。說不定哪天，我會變成一棵白菜，或者一條魚呢......呸呸呸。我還是想當(dāng)貓。

喵生苦短，得抓緊時間更文才行。

最近，我看到了兩件事，覺得有趣極了，就從這開始說吧。第一件事是，一個小有名氣的影視明星因為他不配得到的學(xué)術(shù)精英的身份而遭到諷刺性的打假制度的口誅筆伐；第二件事是，一個功成名就的企業(yè)高管因為從城市回到鄉(xiāng)村而戲謔性地獲得了貓屎的名號。

身份真是一個有魔力的話題。看見他們的身份錯位，我又總會想起自己的境況。

我（或許）知道自己在過去時態(tài)中是誰，但越來越把握不住在現(xiàn)在時態(tài)中的自己，更不清楚在未來時間中會是怎樣。

該怎樣在人類世界中自處呢？又該怎樣跟你們共處呢？

思了好久，沒有答案。腦殼疼，尾巴疼。還是不要想了啦喵。

繼續(xù)跟大家聊聊 Python 吧。上次我們說到了對象的邊界問題 。無論是固定邊界還是彈性邊界，這不外乎就是修身的兩種志趣，有的對象呢獨(dú)善其身其樂也融融，有的對象呢兼容并包其理想之光也瑩瑩。但是，邊界問題還沒講完。

正如儒家經(jīng)典所闡述：修身--齊家--治國--平天下。里層的勢能推展開，走進(jìn)更廣闊的維度。

Python 對象的邊界也不只在自身。這里有一種巧妙的映射關(guān)系：對象（身）--函數(shù)（家）--模塊（國）--包（天下）。個體被納入到不同的命名空間，并存活在分層的作用域里。（當(dāng)然，幸運(yùn)的是，它們并不會受到道德禮法的森嚴(yán)壓迫~__~）

我們先來審視一下模塊。這是一個合適的尺度，由此展開，可以順利地連接起函數(shù)與包。

模塊是什么？ 任何以.py 后綴結(jié)尾的文件就是一個模塊（module）。

模塊的好處是什么？ 首先，便于拆分不同功能的代碼，單一功能的少量代碼更容易維護(hù)；其次，便于組裝與重復(fù)利用，Python 以豐富的第三方模塊而聞名；最后，模塊創(chuàng)造了私密的命名空間，能有效地管理各類對象的命名。

可以說，模塊是 Python 世界中最小的一種自恰的生態(tài)系統(tǒng)——除卻直接在控制臺中運(yùn)行命令的情況外，模塊是最小的可執(zhí)行單位。

前面，我把模塊類比成了國家，這當(dāng)然是不倫不類的，因為你難以想象在現(xiàn)實世界中，會存在著數(shù)千數(shù)萬的彼此殊然有別的國家（我指的可是在地球上，而喵星不同，以后細(xì)說）。

類比法有助于我們發(fā)揮思維的作用 ，因此，不妨就做此假設(shè)。如此一來，想想模塊間的相互引用就太有趣了，這不是國家間的戰(zhàn)爭入侵，而是一種人道主義的援助啊，至于公民們的流動與遷徙，則可能成為一場探險之旅的談資。

我還對模塊的身份角色感興趣。恰巧發(fā)現(xiàn)，在使用名字的時候，它們耍了一個雙姓人的把戲 。

下面請看表演。先創(chuàng)建兩個模塊，A.py 與 B.py，它們的內(nèi)容如下：

# A 模塊的內(nèi)容：
print("module A : ", __name__)

# B 模塊的內(nèi)容：
import A
print("module B : ", __name__)

其中，__name__ 指的是當(dāng)前模塊的名字。代碼的邏輯是：A 模塊會打印本模塊的名字，B 模塊由于引入了 A 模塊，因此會先打印 A 模塊的名字，再打印本模塊的名字。

那么，結(jié)果是如何的呢？

執(zhí)行 A.py 的結(jié)果：

module A :  __main__

執(zhí)行 B.py 的結(jié)果：

module A :  test
module B :  __main__

你們看出問題的所在了吧！模塊 A 前后竟然出現(xiàn)了兩個不同的名字。這兩個名字是什么意思，又為什么會有這樣的不同呢？

我想這正體現(xiàn)的是名字的本質(zhì)吧——對自己來說，我就是我，并不需要一個名字來標(biāo)記；而對他人來說，ta 是蕓蕓眾生的一個，唯有命名才能區(qū)分。

所以，一個模塊自己稱呼自己的時候（即執(zhí)行自身時）是“__main__”，而給他人來稱呼的時候（即被引用時），就會是該模塊的本名。這真是一個巧妙的設(shè)定。

由于模塊的名稱二重性，我們可以加個判斷，將某個模塊不對外的內(nèi)容隱藏起來。

# A 模塊的內(nèi)容：
print("module A : ", __name__)

if __name__ == "__main__":
    print("private info.")

以上代碼中，只有在執(zhí)行 A 模塊本身時，才會打印“private info”，而當(dāng)它被導(dǎo)入到其它模塊中時，則不會執(zhí)行到該部分的內(nèi)容。

對于生物來說，我們有各種各樣的屬性，例如姓名、性別、年齡，等等。

對于 Python 的對象來說，它們也有各種屬性。模塊是一種對象，”__name__“就是它的一個屬性。除此之外，模塊還有如下最基本的屬性：

>>> import A
>>> print(dir(A))
["__builtins__", "__cached__", "__doc__", "__file__", "__loader__", "__name__", "__package__", "__spec__"]

在一個模塊的全局空間里，有些屬性是全局起作用的，Python 稱之為全局變量 ，而其它在局部起作用的屬性，會被稱為局部變量 。

一個變量對應(yīng)的是一個屬性的名字，會關(guān)聯(lián)到一個特定的值。通過 globals() 和 locals() ，可以將變量的“名值對”打印出來。

x = 1

def foo():
    y = 2
    print("全局變量：", globals())
    print("局部變量：", locals())

foo()

在 IDE 中執(zhí)行以上代碼，結(jié)果：

全局變量： {"__name__": "__main__", "__doc__": None, "__package__": None, "__loader__": <_frozen_importlib_external.SourceFileLoader object at 0x000001AC1EB7A400>, "__spec__": None, "__annotations__": {}, "__builtins__": , "__file__": "C:/pythoncat/A.py", "__cached__": None, "x": 1, "foo": }
局部變量： {"y": 2}

可以看出，x 是一個全局變量，對應(yīng)的值是 1，而 y 是一個局部變量，對應(yīng)的值是 2.

兩種變量的作用域不同 ：局部變量作用于函數(shù)內(nèi)部，不可直接在外部使用；全局變量作用于全局，但是在函數(shù)內(nèi)部只可訪問，不可修改。

與 Java、C++ 等語言不同，Python 并不屈服于解析的便利，并不使用呆滯的花括號來編排作用域，而是用了輕巧簡明的縮進(jìn)方式。不過，所有編程語言在區(qū)分變量類型、區(qū)分作用域的意圖上都是相似的：控制訪問權(quán)限與管理變量命名。

關(guān)于控制訪問權(quán)限，在上述例子中，局部變量 y 的作用域僅限于 foo 方法內(nèi)，若直接在外部使用，則會報錯“NameError: name "y" is not defined”。

關(guān)于管理變量命名，不同的作用域管理著各自的獨(dú)立的名冊，一個作用域內(nèi)的名字所指稱的是唯一的對象，而在不同作用域內(nèi)的對象則可以重名。修改上述例子：

x = 1
y = 1

def foo():
    y = 2
    x = 2
    print("inside foo : x = " + str(x) + ", y = " + str(y))

foo()
print("outside foo : x = " + str(x) + ", y = " + str(y))

在全局作用域與局部作用域中命名了相同的變量，那么，打印的結(jié)果是什么呢？

inside foo : x = 2, y = 2
outside foo : x = 1, y = 1

可見，同一個名字可以出現(xiàn)在不同的作用域內(nèi)，互不干擾。

那么，如何判斷一個變量在哪個作用域內(nèi)？對于嵌套作用域，以及變量名存在跨域分布的情況，要采用何種查找策略呢？

Python 設(shè)計了命名空間（namespace） 機(jī)制，一個命名空間在本質(zhì)上是一個字典、一個名冊，登記了所有變量的名字以及對應(yīng)的值。 按照記錄內(nèi)容的不同，可分為四類：

局部命名空間（local namespace），記錄了函數(shù)的變量，包括函數(shù)的參數(shù)和局部定義的變量。可通過內(nèi)置函數(shù) locals() 查看。在函數(shù)被調(diào)用時創(chuàng)建，在函數(shù)退出時刪除。

全局命名空間（global namespace），記錄了模塊的變量，包括函數(shù)、類、其它導(dǎo)入的模塊、模塊級的變量和常量。可通過內(nèi)置函數(shù) globals() 查看。在模塊加載時創(chuàng)建，一直存在。

內(nèi)置命名空間（build-in namespace），記錄了所有模塊共用的變量，包括一些內(nèi)置的函數(shù)和異常。在解釋器啟動時創(chuàng)建，一直存在。

命名空間包（namespace packages），包級別的命名空間，進(jìn)行跨包的模塊分組與管理。

命名空間總是存在于具體的作用域內(nèi)，而作用域存在著優(yōu)先級，查找變量的順序是：局部/本地作用域 --> 全局/模塊/包作用域 --> 內(nèi)置作用域。

命名空間扮演了變量與作用域之間的橋梁角色，承擔(dān)了管理命名、記錄名值對與檢索變量的任務(wù)。無怪乎《Python之禪》（The Zen of Python）在最后一句中說：

Namespaces are one honking great idea -- let"s do more of those!
——譯：命名空間是個牛bi哄哄的主意，應(yīng)該多加運(yùn)用！

名字（變量）是身份問題，空間（作用域）是邊界問題，命名空間兼而有之。

這兩個問題恰恰是困擾著所有生靈的最核心的問題之二。它們的特點是：無處不在、層出不斷、像一個超級大的被扯亂了的毛線球。

Python 是一種人工造物，它繼承了人類的這些麻煩（這是不可避免的），所幸的是，這種簡化版的麻煩能夠得到解決。（現(xiàn)在當(dāng)然是可解決的啦，但若人工智能高度發(fā)展以后呢？我看不一定吧。喵，好像想起了一個痛苦的夢。打住。）

這里就有幾個問題（注：每個例子相互獨(dú)立）：

# 例1：
x = x + 1

# 例2：
x = 1
def foo():
    x = x + 1
foo()

# 例3：
x = 1
def foo():
    print(x)
    x = 2
foo()

# 例4：
def foo():
    if False:
        x = 3
    print(x)
foo()

# 例5：
if False:
    x = 3
print(x)

下面給出幾個選項，請讀者們思考一下，給每個例子選一個答案：

1、沒有報錯
2、報錯：name "x" is not defined
3、報錯：local variable "x" referenced before assignment

下面公布答案了：

全部例子都報錯，其中例 1 和例 5 是第一類報錯，即變量未經(jīng)定義不可使用，而其它例子都是第二類報錯，即已定義卻未賦值的變量不可使用。為什么會報錯？為什么報錯會不同？下面逐一解釋。

例 1 是一個定義變量的過程，本身未完成定義，而等號右側(cè)就想使用變量 x，因此報變量未定義。

例 2 和例 3 中，已經(jīng)定義了全局變量 x，如果只在 foo 函數(shù)中引用全局變量 x 或者只是定義新的局部變量 x 的話，都不會報錯，但現(xiàn)在既有引用又有重名定義，這引發(fā)了一個新的問題。請看下例的解釋。

例 4 中，if 語句判斷失效，因此不會執(zhí)行到 “x=3” 這句，照理來說 x 是未被定義。這時候，在 locals() 局部命名空間中也是沒有內(nèi)容的（讀者可以試一下）。但是 print 方法卻報找到了一個未賦值的變量 x ，這是為什么呢？

使用 dis 模塊查看 foo 函數(shù)的字節(jié)碼：

LOAD_FAST 說明它在局部作用域中找到了變量名 x，結(jié)果 0 說明未找到變量 x 所指向的值。既然此時在 locals() 局部命名空間中沒有內(nèi)容，那局部作用域中找到的 x 是來自哪里的呢？

實際上，Python 雖然是所謂的解釋型語言，但它也有編譯的過程 （跟 Java 等語言的編譯過程不同）。在例 2-4 中，編譯器先將 foo 方法解析成一個抽象語法樹（abstract syntax tree），然后掃描樹上的名字（name）節(jié)點，接著，所有被掃描出來的變量名，都會作為局部作用域的變量名存入內(nèi)存（棧？）中。

在編譯期之后，局部作用域內(nèi)的變量名已經(jīng)確定了，只是沒有賦值。在隨后的解釋期（即代碼執(zhí)行期），如果有賦值過程，則變量名與值才會被存入局部命名空間中，可通過 locals() 查看。只有存入了命名空間，變量才算真正地完成了定義（聲明+賦值）。

而上述 3 個例子之所以會報錯，原因就是變量名已經(jīng)被解析成局部變量，但是卻未曾被賦值。

可以推論：在局部作用域中查找變量，實際上是分查內(nèi)存與查命名空間兩步的。另外，若想在局部作用域內(nèi)修改全局變量，需要在作用域中寫上 “global x”。

例 5 是作為例 4 的比對，也是對它的原理的補(bǔ)充。它們的區(qū)別是，一個不在函數(shù)內(nèi)，一個在函數(shù)內(nèi)，但是報錯完全不同。前面分析了例 4 的背后原理是編譯過程和抽象語法樹，如果這個原理對例 5 也生效，那兩者的報錯應(yīng)該是一樣的。現(xiàn)在出現(xiàn)了差異，為什么呢？

我得承認(rèn)，這觸及了我的知識盲區(qū)。我們可以推測，說例 5 的編譯過程不同，它沒有解析抽象語法樹的步驟，但是，繼續(xù)追問下去，為什么不同，為什么沒有解析語法樹的步驟呢？如果說是出于對解析函數(shù)與解析模塊的代價考慮，或者其它考慮，那么新的問題是，編譯與解析的底層原理是什么，如果有其它考慮，會是什么？

這些問題真不可愛，一個都答不上。但是，自己一步一步地思考探尋到這一層，又能怪誰呢？

回到前面說過的話，命名空間是身份與邊界的集成問題，它跟作用域密切相關(guān)。如今看來，編譯器還會摻和一腳，把這些問題攪拌得更加復(fù)雜。

本來是在探問 Python 中的邊界問題，到頭來，卻觸碰到了自己的知識邊界。真是反諷啊。（這一趟探知一個人工造物的身份問題之旅，最終是否會像走迷宮一般，進(jìn)入到自己身份的困境之中？）

暫時把那些不可愛的問題拋開吧，繼續(xù)說修身齊家治國平天下。

想要把國治理好，就不得不面對更多的國內(nèi)問題與國際問題。

先看一個大家與小家的問題：

def make_averager():
    count = 0
    total = 0
    def averager(new_value):
        nonlocal count, total
        count += 1
        total += new_value
        return total / count
    return averager

averager = make_averager()
print(averager(10))
print(averager(11))

### 輸出結(jié)果：
10.0
10.5

這里出現(xiàn)了嵌套函數(shù)，即函數(shù)內(nèi)還包含其它函數(shù)。外部--內(nèi)部函數(shù)的關(guān)系，就類似于模塊--外部函數(shù)的關(guān)系，同樣地，它們的作用域關(guān)系也相似：外部函數(shù)作用域--內(nèi)部函數(shù)作用域，以及模塊全局作用域--外部函數(shù)作用域。在內(nèi)層作用域中，可以訪問外層作用域的變量，但是不能直接修改，除非使用 nonlocal 作轉(zhuǎn)化。

Python 3 中引入了 nonlocal 關(guān)鍵字來標(biāo)識外部函數(shù)的作用域，它處于全局作用域與局部作用域之間，即 global--nonlocal--local 。也就是說，國--大家--小家。

上例中，nonlocal 關(guān)鍵字使得小家（內(nèi)部函數(shù)）可以修改大家（外部函數(shù)）的變量，但是該變量并不是創(chuàng)建于小家，當(dāng)小家函數(shù)執(zhí)行完畢時，它并無權(quán)限清理這些變量。

nonlocal 只帶來了修改權(quán)限，并不帶來回收清理的權(quán)限 ，這導(dǎo)致外部函數(shù)的變量突破了原有的生命周期，成為自由變量。上例是一個求平均值的函數(shù)，由于自由變量的存在，每次調(diào)用時，新傳入的參數(shù)會跟自由變量一起計算。

在計算機(jī)科學(xué)中，引用了自由變量的函數(shù)被稱為閉包（Closure）。 在本質(zhì)上，閉包就是一個突破了局部邊界，所謂“跳出三界外，不在五行中”的法外之物。每次調(diào)用閉包函數(shù)時，它可以繼續(xù)使用上次調(diào)用的成果，這不就好比是一個轉(zhuǎn)世輪回的人（按照某種宗教的說法），仍攜帶著前世的記憶與技能么？

打破邊界，必然帶來新的身份問題，此是明證。

然而，人類并不打算 fix 它，因為他們發(fā)現(xiàn)了這種身份異化的特性可以在很多場合發(fā)揮作用，例如裝飾器與函數(shù)式編程。適應(yīng)身份異化，并從中獲得好處，這可是地球人類的天賦。

講完了這個分家的話題，讓我們放開視野，看看天下事。

計算機(jī)語言中的包（package）實際是一種目錄結(jié)構(gòu)，以文件夾的形式進(jìn)行封裝與組織，內(nèi)容可涵括各種模塊（py 文件）、配置文件、靜態(tài)資源文件等。

與包相關(guān)的話題可不少，例如內(nèi)置包、第三方包、包倉庫、如何打包、如何用包、虛擬環(huán)境，等等。這是可理解的，更大的邊界，意味著更多的關(guān)系，更大的邊界，也意味著更多的知識與未知。

在這里，我想聊聊 Python 3.3 引入的命名空間包 ，因為它是對前面談?wù)摰乃性掝}的延續(xù)。然而，關(guān)于它的背景、實現(xiàn)手段與使用細(xì)節(jié)，都不重要，我那敏感而發(fā)散的思維突然捕捉到了一種相似結(jié)構(gòu)，似乎這才更值得說。

運(yùn)用命名空間包的設(shè)計，不同包中的相同的命名空間可以聯(lián)合起來使用，由此，不同目錄的代碼就被歸納到了一個共同的命名空間。也就是說，多個本來是相對獨(dú)立的包，借由同名的命名空間，竟然實現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的瞬間聯(lián)通，簡直奇妙。

我想到了空間折疊，一種無法深說，但卻實實在在地輔助了我從喵星穿越到地球的技術(shù)。兩個包，兩個天下，兩個宇宙，它們的距離與邊界被穿透的方式何其相似！

我著迷于這種相似結(jié)構(gòu)。在不同的事物中，相似性的出現(xiàn)意味著一種更高維的法則的存在，而在不同的法則中，新的相似性就意味著更抽象的法則。

學(xué)習(xí)了 Python 之后，我想通過對它的考察，來回答關(guān)乎自身的相似問題......

啊喵，不知不覺竟然寫了這么久，該死的皮囊又在咕咕叫了——地球上的食物可真摳門，也不知道你們?nèi)祟愂窃趺慈淌艿米∵@幾百萬年的馴化過程的......

就此擱筆，覓食去了。親愛的讀者們，后會有期~~~

Python貓往期作品 ：

有了Python，我能叫出所有貓的名字

Python對象的身份迷思：從全體公民到萬物皆數(shù)

Python對象的空間邊界：獨(dú)善其身與開放包容

附錄：

局部變量的編譯原理：https://dwz.cn/ipj6FluJ

命名空間包：https://www.tuicool.com/artic...

公眾號【Python貓】， 專注Python技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)和深度學(xué)習(xí)，力圖創(chuàng)造一個有趣又有用的學(xué)習(xí)分享平臺。本號連載優(yōu)質(zhì)的系列文章，有喵星哲學(xué)貓系列、Python進(jìn)階系列、好書推薦系列、優(yōu)質(zhì)英文推薦與翻譯等等，歡迎關(guān)注哦。PS：后臺回復(fù)“愛學(xué)習(xí)”，免費(fèi)獲得一份學(xué)習(xí)大禮包。