Python 中的命名空间

1. 命名空间的定义

命名空间 (Namespace) 是从名称到值的映射，大部分的命名空间都是通过 Python 字典来实现的，它的键就是变量名，它的值是变量的值。

1.1 例子

一个包含 3 个变量的命名空间，如下图所示：

图: 定义了 3 个变量的命名空间

第一个变量
- 名为 a，值为 1
第二个变量
- 名为 b，值为 2
第三个变量
- 名为 c，值为 3

1.2 在同一个命名空间中，不允许重名

在同一个命名空间中，每个变量的名称是唯一的，不允许重名。在下图中，尝试定义 2 个同名变量：

图: 在同一个命名空间中，不允许重名

命名空间中存在变量 b，取值为 2
命名空间中存在变量 b，取值为 3
因为处于同一个命名空间，这种情况是不允许的

1.3 在不同的命名空间中，允许重名

在下图中，存在两个不同的命名空间：命名空间 A 和命名空间 B。

图: 在不同的命名空间中，允许重名

在命名空间 A 中，有 3 个变量 a、b、c，取值分别是 1、2、3
在命名空间 B 中，有 3 个变量 a、b、c，取值分别是 11、22、33
因为处于不同的命名空间，这种情况是允许的

2. 三种命名空间

Python 中存在有三种命名空间：

内置命名空间：记录了 Python 的内置函数
全局命名空间：记录了模块级别的变量
局部命名空间：记录了函数的参数和局部变量

2.1 内置命名空间

Python 解释器内置了很多函数, 不需要使用 import 导入即可使用，例如：

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

函数 max 计算最大值
函数 abs 计算绝对值
Python 程序可以直接使用这两个内置函数

Python 提供了一个内置命名空间，用于记录这些内置函数。Python 中存在一个特殊的 builtins 模块，它记录了所有的内置函数，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，导入 builtins 模块
在第 2 行，使用 dir 列出 builtins 模块中的变量和函数的名称

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

在第 1 行，引用 builtins 命名空间中的 max 函数
在第 4 行，引用 builtins 命名空间中的 abs 函数

2.2 全局命名空间

在 Python 的全局命名空间中，记录了模块级别的变量，包括变量、函数、类。

Python 中的内置函数 globals() 返回表示全局命名空间的字典，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，在全局空间定义了类 Person
在第 5 行，在全局空间定义了函数 show
在第 8 行，在全局空间定义了实例变量 tom
在第 9 行，在全局空间定义了实例变量 jerry

程序输出如下：

{
    '__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>, 
}

输出包括了 Person、show、tom 和 jerry，它们是用户定义的全局函数和变量。

2.3 局部命名空间

在 Python 的局部命名空间中，记录了函数的参数和局部变量。

Python 中的内置函数 locals() 返回表示局部命名空间的字典，示例如下：

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

function(1, 2)

在第 1 行，函数 function 定义了参数 a 和 b
在第 2 行，函数 function 定义了局部变量 c
在第 3 行，函数 function 定义了局部变量 d

程序输出如下：

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

输出包括了 a、b、c 和 d，它们是函数的参数和局部变量。

3. 命名空间的查找顺序

Python 程序访问变量时，按照如下规则查找变量：

在局部命名空间中，查找变量
如果找不到，则在全局命名空间中，查找变量
如果找不到，则在内置命名空间中，查找变量
如果找不到，则抛出 NameError 异常

下面的例子演示了查找顺序：

a = 1
b = 2

def function(c, d):
    e = 5
    f = 6
    访问某个变量

function(3, 4)

程序包含了 3 个命名空间
- 内置命名空间，包括: max、min、abs 等内置函数
- 全局命名空间，包括：a、b、function
- 局部命名空间，包括：c、d、e、f
在第 7 行，访问某个变量
- 如果访问的变量是 c，则能在局部命名空间中找到
- 如果访问的变量是 a，则能在全部命名空间中找到
- 如果访问的变量是 max，则能在内置命名空间中找到
- 如果访问的变量是 x，在以上三个命名空间中查找不到，抛出异常 NameError