Python局部变量编译原理

Question

def fun():  
    if False:
        x=3
    print(locals())
    print(x)
fun()

输出和错误信息：

{}
---------------------------------------------------------------------------
UnboundLocalError                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-57-d9deb3063ae1> in <module>()
      4     print(locals())
      5     print(x)
----> 6 fun()

<ipython-input-57-d9deb3063ae1> in fun()
      3         x=3
      4     print(locals())
----> 5     print(x)
      6 fun()

UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment

我想知道 python 解释器是如何工作的。请注意，x=3 根本不运行，并且不应将其视为局部变量，这意味着错误将是“未定义名称'x'”。但是查看代码和错误消息，情况并非如此。有人能解释一下这种情况背后的python解释器编译的机制原理吗？

Answer 1

因此，Python 将始终将每个函数中的每个名称分类为 local、non-local 或 global 之一。这些名称范围是专有的；在每个函数内（嵌套函数中的名称有自己的命名范围），每个名称只能属于这些类别之一。

当 Python 编译这段代码时：

def fun():
    if False:
        x=3

它将产生一个抽象语法树，如下所示：

FunctionDef(
    name='fun', 
    args=arguments(...), b
    body=[
        If(test=NameConstant(value=False),
            body=[
                Assign(targets=[Name(id='x', ctx=Store())], value=Num(n=3))
            ], 
            orelse=[])
    ]
)

（为简洁起见省略了一些内容）。现在，当这个抽象语法树被编译成代码时，Python 将扫描所有的名称节点。如果有任何Name 节点和ctx=Store()，则该名称被认为是本地 到封闭的FunctionDef（如果有），除非被global 覆盖（即global x）或同一函数定义中的nonlocal (nonlocal x) 语句。

ctx=Store() 主要出现在有问题的名称用于赋值的左侧，或作为for 循环中的迭代变量时。

现在，当 Python 将其编译为字节码时，生成的字节码是

>>> dis.dis(fun)
  4           0 LOAD_GLOBAL              0 (print)
              3 LOAD_FAST                0 (x)
              6 CALL_FUNCTION            1 (1 positional, 0 keyword pair)
              9 POP_TOP
             10 LOAD_CONST               0 (None)
             13 RETURN_VALUE

优化器完全删除了if 语句；然而，由于该变量已被标记为函数的本地变量，LOAD_FAST 用于 x，这将导致 x 被 local 变量访问，并且仅局部变量。由于尚未设置 x，因此会抛出 UnboundLocalError。另一方面，名称 print 从未分配给，因此在此函数中被视为全局名称，因此其值加载为 LOAD_GLOBAL。

Answer 2

函数中使用的名称对于整个函数体只能有一个作用域。范围是在编译时确定的（而不是在函数运行时）。

如果函数中的任何地方都有一个名称的赋值（不管它是否会在函数被调用时运行），编译器默认将该名称视为函数的本地名称。您可以使用global 和nonlocal 语句明确告诉它使用不同的范围。

一种特殊情况是在一个函数的主体中分配了一个名称，并从第一个函数中定义的另一个函数访问该名称。这样的变量将被放入一个特殊的closure 单元格中，该单元格将在函数之间共享。外部函数会将变量视为局部变量，而内部函数只有在名称有nonlocal 语句时才能分配给它。这是一个闭包和nonlocal 语句的示例：

def counter():
    val = 0
    def helper():
        nonlocal val
        val += 1
        return val
    return helper

除了您看到的问题之外，您可能还会看到另一种范围混淆：

x = 1
def foo():
   print(x)  # you might expect this to print the global x, but it raises an exception
   x = 2     # this assignment makes the compiler treat the name x as local to the function

在foo 函数中，名称x 在任何地方都被视为本地名称，即使print 调用在它被分配到本地命名空间之前尝试使用它。

Answer 3

x = 3 不可访问这一事实无关紧要。该函数分配给它，因此它必须是本地名称。

请记住，整个文件是在执行开始之前编译的，但函数是在执行阶段定义的，当编译的函数定义块执行时，会创建函数对象。

复杂的优化器可以消除无法访问的代码，但 CPython 的优化器并不那么聪明——它只执行非常简单的锁孔优化。

要更深入地了解 Python 内部结构，请查看 ast 和 dis 模块。