Python 语言学习 第七篇：函数1（定义、调用和变量的作用域）

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函数是把一些语句集合在一起的程序结构，用于把复杂的流程细分成不同的组件，能够减少代码的冗余、代码的复用和修改代码的代价。

函数可以0个、1个或多个参数，向函数传递参数，可以控制函数的流程。函数还可以返回代码执行的结果，从技术上讲，任何函数都要返回结果，一个没有返回值的函数会自动返回none对象。如果调用者需要函数返回结果，需要显式使用return语句。

一，函数的定义

Python使用def 语句将创建一个函数对象，并将其赋值给一个变量名，()内是函数的参数，参数通过赋值向参数传值。

def fun_name (arg1,age2...):
    fun_body

return语句表示函数调用的结束，并把结果传递给调用者。return语句是可选的，如果它没有出现，那么函数将会在控制流执行完函数主体时结束。

1，def是可执行的语句

def语句是实时执行的，不仅def语句，Python中的所有语句都是实时运行的，并没有独立的编译时间。def语句是一个可执行的语句，在def执行前，函数并不存在，直到def语句执行之后，函数才被创建。

2，函数是一个对象，函数名是变量

def语句是一个赋值语句，函数是一个对象，函数名是一个变量，def语句设置函数名和函数对象的引用。

当def语句运行的时候，它创建了一个新的函数对象，并将其赋值给一个变量名。

3，参数是通过赋值传递的

Python通过赋值（=）把参数传递给函数，这和普通的赋值语句（a=1，或a=b)的行为是相同。当传递常量给参数时，参数引用的是一个全新的对象；当传递变量给参数，参数和变量是对象的共享引用。

4，函数是可以嵌套的

一个def是一个语句，可以出现在任一语句可以出现的地方，甚至嵌套在其他的语句中。这就是说，函数内部可以嵌套函数的定义，例如：

def times(x,y):
     z=x*y
     def print_result():
             print(z)
     print_result()

函数 print_result()是一个嵌入函数，定义在函数times(x,y)之内。

实际上，Python的函数是有层次结构，最外层的def是顶层函数，在顶层函数内部定义的函数是嵌套函数。

二，函数的调用 

函数通过表达式调用，传入一些值，并返回结果。函数调用的格式是：函数名 + (args)，小括号中是传递给参数的变量或值，例如：

func_name(var1,var2...)

如果函数存在返回值，使用变量来接收函数的返回值：

ret_value=fun_name(var1,var2...)

在调用函数时，函数的行为依赖于类型，这是因为函数是语句的集合，语句包含操作符，而操作符的行为是依赖于类型的，

例如，函数times返回两个参数的乘积，当传入数字时，函数 times(2,4) 返回8，* 的作用是计算乘积；当传入字符类型时，函数 times(‘ab‘,2) 返回‘abab‘，*号的作用是重复字符串。换句话说，函数times()的作用取决于传递给它的值。

def times(x,y):
    return x *y

调用函数时，这种依赖于类型的行为称为多态，就是说，一个操作的作用取决于操作对象的类型。函数的多态性，使得函数可以自动适用于所有类别的对象类型。

如果传给函数的对象有预期的方法和表达式操作符，那么函数就兼容对象。如果传递的对象不支持预期的接口，Python会在 * 表达式运行时检测到错误，并自动抛出一个异常。

这种特性，使得Python代码不应该关心特定的类型，函数应该为对象编写接口，而不是数据类型。当然，这种多态的编程模型意味着：必须测试代码去检测执行结果是否错误，而不是编写代码进行类型检查。

三，变量的作用域

在Python代码中变量无处不在，命名空间就是保存变量名的地方，变量名能够访问（可见）的命名空间叫做作用域。

当在程序中使用变量名时，Python创建、改变或者查找变量都是在命名空间中进行的，变量名被赋值的位置决定了变量名能够被访问的范围。

1，变量的分类

Python中的变量在第一次被赋值时创建，并且必须经过赋值后才能使用。由于没有变量的声明，Python把变量名被赋值的地点关联为（绑定为）一个特定的命名空间。

根据变量的命名空间，把变量大致分为三类：

• 模块是全局命名空间，其名称是模块文件的名称，位于模块内的顶层函数名和变量名叫做全局变量。
• 函数是局部命名空间，其名称是函数的名称，位于函数内的函数名和变量名叫做本地变量。
• 由于一个函数可以嵌套在其他函数内，这使得函数的定义具有层次。我们把一个不在本函数内定义的、而是在上层函数中定义的本地变量叫做非本地变量，也就是，这个变量不是当前函数的本地变量，而是上层函数的本地变量。

2，变量的作用域

变量的作用域是指变量可见的范围，一个变量的作用域总是由变量被赋值的地方决定的，也就是说，变量被赋值的地方决定了变量可见的范围。

• 如果一个变量赋值的地点是在def之内，那么该变量是本地变量，作用域在def之内，在def之外，本地变量是不可见的。
• 如果一个变量赋值的地点是在def之外，那么该变量是全局变量，作用域是全局的，在函数内可以引用全局变量。

在默认情况下，一个函数的所有变量名都是与函数的命名空间相关联的：

• 一个在def内定义的变量名只能被def的代码使用，不能在函数的外部调用该变量名；
• def中的变量名与def之外的变量名并不冲突，一个在def之外被赋值的变量x和在def中被赋值的变量x是不同的变量。

由于变量可以在三个地方分配，那么变量的作用域实际上分为三类：

• 如果一个变量是在def之内赋值，变量可见范围是在函数内，变量的作用域是本地（local）；
• 如果一个变量是在def之内赋值，对该函数中嵌套的函数来说，该变量的作用域是非本地的（nonlocal），或称作嵌套（enclosed）作用域；
• 如果一个变量是在def之外赋值，变量可见的范围是整个模块，变量的作用域是全局（global）。

3，作用域法则

所有变量名都可以归纳为内置的（builtin）、全局的（global）和本地的（local）。

内置的模块是Python预先定义好，可以直接引用的。

模块定义的是全局作用域，全局作用域的作用范围仅限于单个模块（文件），也就是说，在一个文件的顶层的变量名对于这个文件内部的代码而言是全局的。

在默认情况下，在函数内部，赋值的变量名除非声明为全局变量或非本地变量之外，都是本地作用域内的。函数还定义了嵌套的作用域，使其内部使用的变量名本地化，以便函数内部使用的变量名不会与函数外的变量名冲突。每次对函数的调用都会创建一个新的本地作用域。如果需要给一个嵌套的def中的变量名赋值，从Python 3.0开始，可以使用 nonlocal语句声明来做到。

注意：模块顶层的函数名是全局变量，函数内部的def定义的是局部变量；函数的参数是本地变量；一个函数内部的任何类型的赋值都会把一个变量划定为本地的，这意味着，函数内部的赋值（=）语句，def语句等，定义的都是本地变量。

4，变量名解析（LEGB原则）

变量名的解析遵从LEGB原则，当引用一个变量时，Python按照以下顺序依次进行查找：从本地变量中、在任意上层函数的作用域、在全局作用域，最后在内置作用域中查找。

LEGB法则解析变量名的详细机制：

• 当在函数中引用变量名时，Python依次搜索4个作用域：本地作用域（L），然后是上一层结构中def的本地作用域（E），再然后是全局作用域（G），最后是内置作用域（B），并且再第一处能够找到该变量名的地方停下来。如果变量名再这次搜索中没有找到，Python会报错。
• 当在函数中给一个变量名赋值时（而不是在一个表达式中对其进行引用），Python总是创建或改变本地作用域的变量名，除非它已经在当前函数中声明为全局变量（global）或者非本地变量（nonlocal）。

把嵌套作用域定义为：在当前的def语句之外，在顶层def语句之内的作用域，嵌套作用域的解析细节：

• 对变量x的引用，首先在当前函数内查找变量名x；之后会向上层的函数中查找变量名x，从内向外依次查找嵌套作用域；之后查找当前的全局作用域（模块）；最后再到内置作用域内查找。而全局声明将会直接从全局作用域（模块）进行搜索。
• 对变量x的赋值，如果变量x在函数内部声明为全局变量（global x），那么赋值会修改全局变量x的值；如果变量x在函数内被声明为非本地变量（nonlocal x），那么赋值会修改最近的嵌套函数的本地作用域内的变量x的值。

5，在函数内引用全局变量

global不是声明一个类型，而是声明命名的命名空间是全局的，也就是说，告诉函数打算声明一个或多个全局变量名。

对于全局变量名，这里对用法作一个总结：

• 全局变量是位于模块内部顶层的变量名；
• 如果要在函数内对全局变量进行赋值，那么必须声明该变量是全局的；
• 全局变量名在函数的内部可以直接引用。

例如，x是全局变量，在函数func中使用global 声明x是全局变量，对x赋值，就是修改全局变量的值：

x=11
def func():
    global x
    x=12

使用global语句把变量声明为全局变量，这样，在函数内部就可以修改全局变量的值，也就是说，global语句允许在def中修改全局变量的值。

global语句包含了关键字global，其后跟着一个或多个由逗号分开的变量名，当在函数内被赋值或引用时，所有列出来的变量都被映射到全局变量名。

global x,y,z

6，在函数内引用上层的非本地变量

Pytho 3.0 引入了nonlocal语句，用于在一个函数内声明一个非本地的变量，该变量定义于一个def语句中，并且位于嵌套作用域的上层。

例如，函数foo1定义了变量var1和var2，要想在函数foo2中改变它们的值，必须在foo2中使用nonlocal语句把它们声明为非本地变量：

def foo1:
    var1=1
    var2=2
    ...
    def foo2:
        nonlocal var1,var2,.. 

nonlocal语句是一个声明语句，用于把函数内的变量声明为非本地变量。非本地变量是指不在本函数内定义的，而是在上层函数中定义的本地变量。

nonlocal语句的用法解析：

• nonlocal语句完全忽略当前函数的本地作用域，这意味着，nonlocal语句使得对该语句列出的名称的查找从上层函数的作用域开始，而不是从语句声明的本地作用域开始。
• nonlocal语句列出的名称，必须在一个嵌套的def中提前定义过，否则，Python将会产生一个错误，也就是说，nonlocal语句声明的变量只能是def中定义的本地变量，而不能是模块的全局变量。
• nonlocal语句允许对非本地变量赋值，修改其值。
• 在内嵌的函数中，可以直接引用非本地变量，不需要使用nonlocal语句声明。

nonlocal语句提供了一种方式，使得嵌套的函数能够提供可写的状态信息，以便在随后调用嵌套的函数时，能够记住这些信息。简而言之，nonlocal语句的引入使得Python允许修改非本地变量。

四，闭合函数

Python的闭合函数是指一个能够记住嵌套作用域的变量值的函数，尽管那个作用域已经不存在了。

例如，创建一个闭合函数maker，该函数生成并返回一个嵌套函数action，却并调用这个内嵌的函数。

def maker(x):
    def action(y):
        return x*y
    return action

调用闭合函数，得到的是生成的内嵌函数的一个引用。当我们调用闭合函数，它会返回内嵌函数的引用；当调用内嵌函数action时，我们发现尽管闭合函数已经返回并退出，但是，内嵌函数记住了闭合函数内部的变量x的值。

f=maker(2)
f(3)

也就是说，闭合函数的本地作用域的信息被保留了下来。为了能够在内嵌的def中使用变量x的值，Python自动记住了所需要的上层作用域的任意值。

注意：如果lambda或者def在函数中定义，嵌套在一个循环之中，并且嵌套的函数引用了一个上层作用域的变量，该变量被循环所改变，所有在这个循环中产生的函数将会由相同的值——在最后一次循环中完成时被引用变量的值。 

>>> def maker():
...     acts=[]
...     for i in range(5):
...             acts.append(lambda x:i**x)
...     return acts
...
>>> acts=maker()
>>> acts[0](2)
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因为嵌套作用域中的变量在嵌套的函数被调用时才进行检查，所以，它们实际上记住的是同样的值（在最后一次循环迭代中循环变量的值）。

也就是说，只有当调用acts[0](2)时，采取检查变量i的值，此时变i的值是最后一次迭代的值4。要解决这类问题，必须在函数maker调用时，对i的值进行评估，并保存起来。

>>> def maker():
...     acts=[]
...     for i in range(5):
...             acts.append(lambda x, i=i : i**x)
...     return acts

为了让这类代码能够工作，必须使用默认参数把当前的值传递给嵌套作用域的变量。因为默认参数是在嵌套函数创建时评估的（而不是其稍后调用时），所以，每一个函数都记住了自己的变量 i 的值。

参考文档：

Python 语言学习 第七篇：函数1（定义、调用和变量的作用域）

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