Python 中的命名空間

1. 命名空間的定義

命名空間 (Namespace) 是從名稱到值的映射，大部分的命名空間都是通過 Python 字典來實現的，它的鍵就是變量名，它的值是變量的值。

1.1 例子

一個包含 3 個變量的命名空間，如下圖所示：

• 第一個變量
  • 名為 a，值為 1
• 第二個變量
  • 名為 b，值為 2
• 第三個變量
  • 名為 c，值為 3

1.2 在同一個命名空間中，不允許重名

在同一個命名空間中，每個變量的名稱是唯一的，不允許重名。在下圖中，嘗試定義 2 個同名變量：

• 命名空間中存在變量 b，取值為 2
• 命名空間中存在變量 b，取值為 3
• 因為處于同一個命名空間，這種情況是不允許的

1.3 在不同的命名空間中，允許重名

在下圖中，存在兩個不同的命名空間：命名空間 A 和命名空間 B。

• 在命名空間 A 中，有 3 個變量 a、b、c，取值分別是 1、2、3
• 在命名空間 B 中，有 3 個變量 a、b、c，取值分別是 11、22、33
• 因為處于不同的命名空間，這種情況是允許的

2. 三種命名空間

Python 中存在有三種命名空間：

• 內置命名空間：記錄了 Python 的內置函數
• 全局命名空間：記錄了模塊級別的變量
• 局部命名空間：記錄了函數的參數和局部變量

2.1 內置命名空間

Python 解釋器內置了很多函數, 不需要使用 import 導入即可使用，例如：

>>> max(1, 2)
2
>>> abs(-123)
123

• 函數 max 計算最大值
• 函數 abs 計算絕對值
• Python 程序可以直接使用這兩個內置函數

Python 提供了一個內置命名空間，用于記錄這些內置函數。Python 中存在一個特殊的 builtins 模塊，它記錄了所有的內置函數，示例如下：

>>> import builtins
>>> dir(builtins)
['ArithmeticError', 'AssertionError', 'AttributeError', 'BaseException', 'BlockingIOError', 'BrokenPipeError', 'BufferError', 'BytesWarning', 'ZeroDivisionError', 'abs', 'all', 'any','ascii', 'bin', 'bool', 'bytearray', 'bytes', 'callable', 'chr', 'classmethod', 'compile', 'complex', 'copyright', 'credits', 'delattr', 'dict', 'dir', 'divmod', 'enumerate', 'eval', 'exec', 'exit', 'filter', 'float', 'format', 'frozenset', 'getattr', 'globals', 'hasattr', 'hash', 'help', 'hex', 'id', 'input', 'int', 'isinstance', 'issubclass', 'iter', 'len', 'license', 'list', 'locals', 'map', 'max', 'memoryview', 'min', 'next', 'object', 'oct', 'open', 'ord', 'pow', 'print', 'property', 'quit', 'range', 'repr', 'reversed', 'round', 'set', 'setattr', 'slice', 'sorted', 'staticmethod', 'str', 'sum', 'super', 'tuple', 'type', 'vars', 'zip']
>>>

• 在第 1 行，導入 builtins 模塊
• 在第 2 行，使用 dir 列出 builtins 模塊中的變量和函數的名稱

>>> m = builtins.max
>>> m(1, 2)
2
>>> a = builtins.abs
>>> a(-123)
123

• 在第 1 行，引用 builtins 命名空間中的 max 函數
• 在第 4 行，引用 builtins 命名空間中的 abs 函數

2.2 全局命名空間

在 Python 的全局命名空間中，記錄了模塊級別的變量，包括變量、函數、類。

Python 中的內置函數 globals() 返回表示全局命名空間的字典，示例如下：

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

def show(person):
    print(person.name)

tom = Person('tom') 
jerry = Person('jerry')

dict = globals()
print(dict)

• 在第 1 行，在全局空間定義了類 Person
• 在第 5 行，在全局空間定義了函數 show
• 在第 8 行，在全局空間定義了實例變量 tom
• 在第 9 行，在全局空間定義了實例變量 jerry

程序輸出如下：

{
    '__name__': '__main__', 
    '__doc__': None, 
    '__package__': None, 
    '__file__': 'globals.py', 
    '__cached__': None, 
    'Person': <class '__main__.Person'>, 
    'show': <function show at 0x0000000001D03E18>, 
    'tom': <__main__.Person object at 0x0000000001E1BC50>, 
    'jerry': <__main__.Person object at 0x0000000001E1BCC0>, 
}

輸出包括了 Person、show、tom 和 jerry，它們是用戶定義的全局函數和變量。

2.3 局部命名空間

在 Python 的局部命名空間中，記錄了函數的參數和局部變量。

Python 中的內置函數 locals() 返回表示局部命名空間的字典，示例如下：

def function(a, b):
    c = 3
    d = 4
    dict = locals()
    print(dict)

function(1, 2)

• 在第 1 行，函數 function 定義了參數 a 和 b
• 在第 2 行，函數 function 定義了局部變量 c
• 在第 3 行，函數 function 定義了局部變量 d

程序輸出如下：

{'a':1, 'b':2, 'c':3, 'd':4}

輸出包括了 a、b、c 和 d，它們是函數的參數和局部變量。

3. 命名空間的查找順序

Python 程序訪問變量時，按照如下規則查找變量：

1. 在局部命名空間中，查找變量
2. 如果找不到，則在全局命名空間中，查找變量
3. 如果找不到，則在內置命名空間中，查找變量
4. 如果找不到，則拋出 NameError 異常

下面的例子演示了查找順序：

a = 1
b = 2

def function(c, d):
    e = 5
    f = 6
    訪問某個變量

function(3, 4)    

• 程序包含了 3 個命名空間

  • 內置命名空間，包括: max、min、abs 等內置函數
  • 全局命名空間，包括：a、b、function
  • 局部命名空間，包括：c、d、e、f

• 在第 7 行，訪問某個變量

  • 如果訪問的變量是 c，則能在局部命名空間中找到
  • 如果訪問的變量是 a，則能在全部命名空間中找到
  • 如果訪問的變量是 max，則能在內置命名空間中找到
  • 如果訪問的變量是 x，在以上三個命名空間中查找不到，拋出異常 NameError