深入理解 Python 的作用域與 LEGB 原則

更新日期： 2024 年 11 月 18 日

在學習 Python 的過程中，理解作用域（Scope）是非常重要的。

作用域決定了變數的可見性和生命週期。

Python 採用了一套稱為 LEGB 的命名空間查找規則，這對於理解變數是如何被解析的至關重要。

本文將為新手詳細介紹 Python 的作用域以及 LEGB 原則。

什麼是作用域？

作用域是指在程式中可以訪問變數名稱的區域。

根據變數定義的位置不同，其作用域也不同。

Python 中的作用域主要分為以下幾種類型：

1. Local（本地作用域）：函式內部的命名空間，包括函式內定義的變數和參數。
2. Enclosing（嵌套作用域）：外部嵌套函式的本地作用域（在嵌套函式中）。
3. Global（全域作用域）：模組級別的命名空間，包含模組中定義的變數和函式。
4. Built-in（內建作用域）：Python 解譯器內置的命名空間，包含內建函式和例外。

LEGB 原則詳解

LEGB 是 Local、Enclosing、Global、Built-in 的縮寫。

當 Python 解析變數名稱時，會按照這個順序進行查找：

1. Local（本地作用域）：首先，Python 會在本地作用域中查找變數，即當前函式內部。
2. Enclosing（嵌套作用域）：如果在本地作用域中沒有找到，會在外層函式的本地作用域中查找（適用於嵌套函式）。
3. Global（全域作用域）：如果還是沒有找到，會在全域作用域中查找，即模組級別。
4. Built-in（內建作用域）：最後，Python 會在內建作用域中查找。

例子解析

本地作用域（Local Scope）

def my_function():
    x = 10
    print(x)

my_function()  # 輸出：10
print(x)  # NameError: name 'x' is not defined

在這個例子中，變數 x 定義在函式 my_function 的本地作用域內，函式外部無法訪問。

全域作用域（Global Scope）

x = 5

def my_function():
    print(x)

my_function()  # 輸出：5
print(x)  # 輸出：5

變數 x 定義在全域作用域內，函式內部可以訪問全域變數。

修改全域變數

x = 5

def my_function():
    global x
    x = 10
    print(x)

my_function()  # 輸出：10
print(x)  # 輸出：10

使用 global 關鍵字，可以在函式內部修改全域變數。

<code>python global a = 2 # 錯誤！</code>

a = 1

def hi():
    global a  # 宣告 a 為全域變數
    a = 2     # 修改全域變數的值
    print(a)

hi()

延伸閱讀：深入理解 Python 中的 global 與 nonlocal 關鍵字

嵌套作用域（Enclosing Scope）

def outer_function():
    x = 'Hello'

    def inner_function():
        print(x)

    inner_function()

outer_function()  # 輸出：Hello

在這個例子中，inner_function 可以訪問 outer_function 中的變數 x。

閉包中的變數

def outer_function():
    x = 'Hello'

    def inner_function():
        x = 'Hi'
        print(x)

    inner_function()
    print(x)

outer_function()
# 輸出：
# Hi
# Hello

在 inner_function 中，定義了一個與外部同名的變數 x，這個變數屬於本地作用域，不會影響外部的 x。

使用 nonlocal 關鍵字

def outer_function():
    x = 'Hello'

    def inner_function():
        nonlocal x
        x = 'Hi'
        print(x)

    inner_function()
    print(x)

outer_function()
# 輸出：
# Hi
# Hi

使用 nonlocal 關鍵字，可以在內部函式中修改外部函式的變數。

內建作用域（Built-in Scope）

def hi():
    def print():
        pass
    def hey():
        print(123);
    hey()

hi();

當執行 print(123) 時，Python 的查找順序是：

1. Local（L）:
   • 在 hey 的本地作用域中查找，但沒有找到 print。
2. Enclosing（E）:
   • 在 hi 的作用域中查找，找到的是本地定義的 print（覆蓋了內建的 print 函式）。
   • 此時，print 是一個空函式，沒有功能。

3. Global（G）:
   • 如果 hi 的作用域中沒有找到，會在全域作用域中尋找 print，但因為在 Enclosing 找到了，所以不會繼續查找。

4. Built-in（B）:
   • 如果在以上作用域都找不到，Python 最後會在內建作用域中尋找 print。

在上述的代碼中，因為 Enclosing 找到了一個覆蓋的 print，而這個函式沒有實現功能，導致執行 print(123) 時出現問題。

注意事項

• 避免過度使用全域變數：全域變數可能導致程式碼難以維護和除錯。
• 瞭解作用域的優先順序：理解 LEGB 原則有助於避免命名衝突和意外的行為。
• 善用關鍵字：global 和 nonlocal 關鍵字在需要修改外部作用域的變數時非常有用。

結論

理解 Python 中的作用域和 LEGB 原則是編寫高品質程式碼的基礎。

通過掌握這些知識，你可以更好地控制變數的可見性和生命週期，避免常見的錯誤。

進一步學習

• 深入學習閉包（Closure）：瞭解函式如何捕獲外部變數。
• 裝飾器（Decorator）：利用作用域和閉包的高級應用。
• 命名空間（Namespace）：更深入地理解變數的存儲方式。