摘要：內(nèi)置函數(shù)們能夠被提拔出來(lái)，這就意味著它們皆有獨(dú)到之處，有用武之地。因此，掌握內(nèi)置函數(shù)的用法，就成了我們應(yīng)該點(diǎn)亮的技能。報(bào)錯(cuò)包含了內(nèi)置命名空間中的名稱，在控制臺(tái)中輸入，就能發(fā)現(xiàn)很多內(nèi)置函數(shù)異常和其它屬性的名稱。

Python 提供了很多內(nèi)置的工具函數(shù)（Built-in Functions），在最新的 Python 3 官方文檔中，它列出了 69 個(gè)。

大部分函數(shù)是我們經(jīng)常使用的，例如 print()、open() 與 dir()，而有一些函數(shù)雖然不常用，但它們?cè)谀承﹫?chǎng)景下，卻能發(fā)揮出不一般的作用。內(nèi)置函數(shù)們能夠被“提拔”出來(lái)，這就意味著它們皆有獨(dú)到之處，有用武之地。

因此，掌握內(nèi)置函數(shù)的用法，就成了我們應(yīng)該點(diǎn)亮的技能。

在《Python進(jìn)階：如何將字符串常量轉(zhuǎn)為變量？》這篇文章中，我提到過(guò) eval() 和 exec() ，但對(duì)它們并不太了解。為了彌補(bǔ)這方面知識(shí)，我就重新學(xué)習(xí)了下。這篇文章是一份超級(jí)詳細(xì)的學(xué)習(xí)記錄，系統(tǒng)、全面而深入地辨析了這兩大函數(shù)。

語(yǔ)法：eval(expression, globals=None, locals=None)

它有三個(gè)參數(shù)，其中 expression 是一個(gè)字符串類型的表達(dá)式或代碼對(duì)象，用于做運(yùn)算；globals 與 locals 是可選參數(shù)，默認(rèn)值是 None。

具體而言，expression 只能是單個(gè)表達(dá)式，不支持復(fù)雜的代碼邏輯，例如賦值操作、循環(huán)語(yǔ)句等等。（PS：?jiǎn)蝹€(gè)表達(dá)式并不意味著“簡(jiǎn)單無(wú)害”，參見(jiàn)下文第 4 節(jié)）

globals 用于指定運(yùn)行時(shí)的全局命名空間，類型是字典，缺省時(shí)使用的是當(dāng)前模塊的內(nèi)置命名空間。locals 指定運(yùn)行時(shí)的局部命名空間，類型是字典，缺省時(shí)使用 globals 的值。兩者都缺省時(shí)，則遵循 eval 函數(shù)執(zhí)行時(shí)的作用域。值得注意的是，這兩者不代表真正的命名空間，只在運(yùn)算時(shí)起作用，運(yùn)算后則銷毀。

x = 10

def func():
    y = 20
    a = eval("x + y")
    print("a: ", a)
    b = eval("x + y", {"x": 1, "y": 2})
    print("x: " + str(x) + " y: " + str(y))
    print("b: ", b)
    c = eval("x + y", {"x": 1, "y": 2}, {"y": 3, "z": 4})
    print("x: " + str(x) + " y: " + str(y))
    print("c: ", c)

func()

輸出結(jié)果：

a:  30
x: 10 y: 20
b:  3
x: 10 y: 20
c:  4

由此可見(jiàn)，當(dāng)指定了命名空間的時(shí)候，變量會(huì)在對(duì)應(yīng)命名空間中查找。而且，它們的值不會(huì)覆蓋實(shí)際命名空間中的值。

語(yǔ)法：exec(object[, globals[, locals]])

在 Python2 中 exec 是個(gè)語(yǔ)句，而 Python3 將其改造成一個(gè)函數(shù)，就像 print 一樣。exec() 與 eval() 高度相似，三個(gè)參數(shù)的意義和作用相近。

主要的區(qū)別是，exec() 的第一個(gè)參數(shù)不是表達(dá)式，而是代碼塊，這意味著兩點(diǎn)：一是它不能做表達(dá)式求值并返回出去，二是它可以執(zhí)行復(fù)雜的代碼邏輯，相對(duì)而言功能更加強(qiáng)大，例如，當(dāng)代碼塊中賦值了新的變量時(shí)，該變量可能 在函數(shù)外的命名空間中存活下來(lái)。

>>> x = 1
>>> y = exec("x = 1 + 1")
>>> print(x)
>>> print(y)
2
None

可以看出，exec() 內(nèi)外的命名空間是相通的，變量由此傳遞出去，而不像 eval() 函數(shù)，需要一個(gè)變量來(lái)接收函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果。

兩個(gè)函數(shù)都很強(qiáng)大，它們將字符串內(nèi)容當(dāng)做有效的代碼執(zhí)行。這是一種字符串驅(qū)動(dòng)的事件 ，意義重大。然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，存在很多微小的細(xì)節(jié)，此處就列出我所知道的幾點(diǎn)吧。

常見(jiàn)用途：將字符串轉(zhuǎn)成相應(yīng)的對(duì)象，例如 string 轉(zhuǎn)成 list ，string 轉(zhuǎn)成 dict，string 轉(zhuǎn) tuple 等等。

>>> a = "[[1,2], [3,4], [5,6], [7,8], [9,0]]"
>>> print(eval(a))
[[1, 2], [3, 4], [5, 6], [7, 8], [9, 0]]
>>> a = "{"name": "Python貓", "age": 18}"
>>> print(eval(a))
{"name": "Python貓", "age": 18}

# 與 eval 略有不同
>>> a = "my_dict = {"name": "Python貓", "age": 18}"
>>> exec(a)
>>> print(my_dict)
{"name": "Python貓", "age": 18}

eval() 函數(shù)的返回值是其 expression 的執(zhí)行結(jié)果，在某些情況下，它會(huì)是 None，例如當(dāng)該表達(dá)式是 print() 語(yǔ)句，或者是列表的 append() 操作時(shí)，這類操作的結(jié)果是 None，因此 eval() 的返回值也會(huì)是 None。

>>> result = eval("[].append(2)")
>>> print(result)
None

exec() 函數(shù)的返回值只會(huì)是 None，與執(zhí)行語(yǔ)句的結(jié)果無(wú)關(guān)，所以，將 exec() 函數(shù)賦值出去，就沒(méi)有任何必要。所執(zhí)行的語(yǔ)句中，如果包含 return 或 yield ，它們產(chǎn)生的值也無(wú)法在 exec 函數(shù)的外部起作用。

>>> result = exec("1 + 1")
>>> print(result)
None

兩個(gè)函數(shù)中的 globals 和 locals 參數(shù)，起到的是白名單的作用，通過(guò)限定命名空間的范圍，防止作用域內(nèi)的數(shù)據(jù)被濫用。

conpile() 函數(shù)編譯后的 code 對(duì)象，可作為 eval 和 exec 的第一個(gè)參數(shù)。compile() 也是個(gè)神奇的函數(shù)，我翻譯的上一篇文章《Python騷操作：動(dòng)態(tài)定義函數(shù)》就演示了一個(gè)動(dòng)態(tài)定義函數(shù)的操作。

吊詭的局部命名空間：前面講到了 exec() 函數(shù)內(nèi)的變量是可以改變?cè)忻臻g的，然而也有例外。

def foo():
    exec("y = 1 + 1
print(y)")
    print(locals())
    print(y)

foo()

按照前面的理解，預(yù)期的結(jié)果是局部變量中會(huì)存入變量 y，因此兩次的打印結(jié)果都會(huì)是 2，然而實(shí)際上的結(jié)果卻是：

2
{"y": 2}
Traceback (most recent call last):
...(略去部分報(bào)錯(cuò)信息)
    print(y)
NameError: name "y" is not defined

明明看到了局部命名空間中有變量 y，為何會(huì)報(bào)錯(cuò)說(shuō)它未定義呢？

原因與 Python 的編譯器有關(guān)，對(duì)于以上代碼，編譯器會(huì)先將 foo 函數(shù)解析成一個(gè) ast（抽象語(yǔ)法樹），然后將所有變量節(jié)點(diǎn)存入棧中，此時(shí) exec() 的參數(shù)只是一個(gè)字符串，整個(gè)就是常量，并沒(méi)有作為代碼執(zhí)行，因此 y 還不存在。直到解析第二個(gè) print() 時(shí)，此時(shí)第一次出現(xiàn)變量 y ，但因?yàn)闆](méi)有完整的定義，所以 y 不會(huì)被存入局部命名空間。

在運(yùn)行期，exec() 函數(shù)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建了局部變量 y ，然而由于 Python 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是“運(yùn)行期的局部命名空間不可改變 ”，也就是說(shuō)這時(shí)的 y 始終無(wú)法成為局部命名空間的一員，當(dāng)執(zhí)行 print() 時(shí)也就報(bào)錯(cuò)了。

至于為什么 locals() 取出的結(jié)果有 y，為什么它不能代表真正的局部命名空間？為什么局部命名空間無(wú)法被動(dòng)態(tài)修改？可以查看我之前分享的《Python 動(dòng)態(tài)賦值的陷阱》，另外，官方的 bug 網(wǎng)站中也有對(duì)此問(wèn)題的討論，查看地址：https://bugs.python.org/issue...

若想把 exec() 執(zhí)行后的 y 取出來(lái)的話，可以這樣：z = locals()["y"] ，然而如果不小心寫成了下面的代碼，則會(huì)報(bào)錯(cuò)：

def foo():
    exec("y = 1 + 1")
    y = locals()["y"]
    print(y)
    
foo()

#報(bào)錯(cuò)：KeyError: "y"
#把變量 y 改為其它變量則不會(huì)報(bào)錯(cuò)

KeyError 指的是在字典中不存在對(duì)應(yīng)的 key 。本例中 y 作了聲明，卻因?yàn)檠h(huán)引用而無(wú)法完成賦值，即 key 值對(duì)應(yīng)的 value 是個(gè)無(wú)效值，因此讀取不到，就報(bào)錯(cuò)了。

此例還有 4 個(gè)變種，我想用一套自恰的說(shuō)法來(lái)解釋它們，但嘗試了很久，未果。留個(gè)后話吧，等我想明白，再多帶帶寫一篇文章。

很多動(dòng)態(tài)的編程語(yǔ)言中都會(huì)有 eval() 函數(shù)，作用大同小異，但是，無(wú)一例外，人們會(huì)告訴你說(shuō)，避免使用它。

為什么要慎用 eval() 呢？主要出于安全考慮，對(duì)于不可信的數(shù)據(jù)源，eval 函數(shù)很可能會(huì)招來(lái)代碼注入的問(wèn)題。

>>> eval("__import__("os").system("whoami")")
desktop-fa4b888pythoncat
>>> eval("__import__("subprocess").getoutput("ls ~")")
#結(jié)果略，內(nèi)容是當(dāng)前路徑的文件信息

在以上例子中，我的隱私數(shù)據(jù)就被暴露了。而更可怕的是，如果將命令改為rm -rf ~ ，那當(dāng)前目錄的所有文件都會(huì)被刪除干凈。

針對(duì)以上例子，有一個(gè)限制的辦法，即指定 globals 為 {"__builtins__": None} 或者 {"__builtins__": {}} 。

>>> s = {"__builtins__": None}
>>> eval("__import__("os").system("whoami")", s)
#報(bào)錯(cuò)：TypeError: "NoneType" object is not subscriptable

__builtins__ 包含了內(nèi)置命名空間中的名稱，在控制臺(tái)中輸入 dir(__builtins__) ，就能發(fā)現(xiàn)很多內(nèi)置函數(shù)、異常和其它屬性的名稱。在默認(rèn)情況下，eval 函數(shù)的 globals 參數(shù)會(huì)隱式地?cái)y帶__builtins__ ，即使是令 globals 參數(shù)為 {} 也如此，所以如果想要禁用它，就得顯式地指定它的值。

上例將它映射成 None，就意味著限定了 eval 可用的內(nèi)置命名空間為 None，從而限制了表達(dá)式調(diào)用內(nèi)置模塊或?qū)傩缘哪芰Α?/p>

但是，這個(gè)辦法還不是萬(wàn)無(wú)一失的，因?yàn)槿杂惺侄慰梢园l(fā)起攻擊。

某位漏洞挖掘高手在他的博客中分享了一個(gè)思路，令人大開眼界。其核心的代碼是下面這句，你可以試試執(zhí)行，看看輸出的是什么內(nèi)容。

>>> ().__class__.__bases__[0].__subclasses__()

關(guān)于這句代碼的解釋，以及更進(jìn)一步的利用手段，詳見(jiàn)博客。（地址：https://www.tuicool.com/artic...）

另外還有一篇博客，不僅提到了上例的手段，還提供了一種新的思路：

#警告：千萬(wàn)不要執(zhí)行如下代碼，后果自負(fù)。
>>> eval("(lambda fc=(lambda n: [c 1="c" 2="in" 3="().__class__.__bases__[0" language="for"][/c].__subclasses__() if c.__name__ == n][0]):fc("function")(fc("code")(0,0,0,0,"KABOOM",(),(),(),"","",0,""),{})())()", {"__builtins__":None})

這行代碼會(huì)導(dǎo)致 Python 直接 crash 掉。具體分析在：https://segmentfault.com/a/11...

除了黑客的手段，簡(jiǎn)單的內(nèi)容也能發(fā)起攻擊。像下例這樣的寫法， 將在短時(shí)間內(nèi)耗盡服務(wù)器的計(jì)算資源。

>>> eval("2 ** 888888888", {"__builtins__":None}, {})

如上所述，我們直觀地展示了 eval() 函數(shù)的危害性，然而，即使是 Python 高手們小心謹(jǐn)慎地使用，也不能保證不出錯(cuò)。

在官方的 dumbdbm 模塊中，曾經(jīng)（2014年）發(fā)現(xiàn)一個(gè)安全漏洞，攻擊者通過(guò)偽造數(shù)據(jù)庫(kù)文件，可以在調(diào)用 eval() 時(shí)發(fā)起攻擊。（詳情：https://bugs.python.org/issue...）

無(wú)獨(dú)有偶，在上個(gè)月（2019.02），有核心開發(fā)者針對(duì) Python 3.8 也提出了一個(gè)安全問(wèn)題，提議不在 logging.config 中使用 eval() 函數(shù)，目前該問(wèn)題還是 open 狀態(tài)。（詳情：https://bugs.python.org/issue...）

如此種種，足以說(shuō)明為什么要慎用 eval() 了。同理可證，exec() 函數(shù)也得謹(jǐn)慎使用。

既然有種種安全隱患，為什么要?jiǎng)?chuàng)造出這兩個(gè)內(nèi)置方法呢？為什么要使用它們呢？

理由很簡(jiǎn)單，因?yàn)?Python 是一門靈活的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言。與靜態(tài)語(yǔ)言不同，動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生代碼，對(duì)于已經(jīng)部署好的工程，也可以只做很小的局部修改，就實(shí)現(xiàn) bug 修復(fù)。

那有什么辦法可以相對(duì)安全地使用它們呢？

ast 模塊的 literal() 是 eval() 的安全替代，與 eval() 不做檢查就執(zhí)行的方式不同，ast.literal() 會(huì)先檢查表達(dá)式內(nèi)容是否有效合法。它所允許的字面內(nèi)容如下：

strings, bytes, numbers, tuples, lists, dicts, sets, booleans, 和 None

一旦內(nèi)容非法，則會(huì)報(bào)錯(cuò)：

import ast
ast.literal_eval("__import__("os").system("whoami")")

報(bào)錯(cuò)：ValueError: malformed node or string

不過(guò)，它也有缺點(diǎn)：AST 編譯器的棧深（stack depth）有限，解析的字符串內(nèi)容太多或太復(fù)雜時(shí)，可能導(dǎo)致程序崩潰。

至于 exec() ，似乎還沒(méi)有類似的替代方法，畢竟它本身可支持的內(nèi)容是更加復(fù)雜多樣的。

最后是一個(gè)建議：搞清楚它們的區(qū)別與運(yùn)行細(xì)節(jié)（例如前面的局部命名空間內(nèi)容），謹(jǐn)慎使用，限制可用的命名空間，對(duì)數(shù)據(jù)源作充分校驗(yàn)。

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