循序漸進學Python之函數(shù)的嵌套

sven_ 2014-01-16

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【51CTO獨家特稿】我們在上一篇文章即“循序漸進學Python之函數(shù)入門”中介紹了函數(shù)的定義和調(diào)用方法，那里定義的函數(shù)都是相互平行的，也就是說，所有函數(shù)都是在其它函數(shù)之外定義的。而本文介紹的是函數(shù)的嵌套：即函數(shù)內(nèi)部的函數(shù)。我們這里首先介紹了嵌套函數(shù)的定義，以及嵌套函數(shù)中變量的查找過程，然后后講解多層嵌套函數(shù)的執(zhí)行過程，最后說明了嵌套作用域的靜態(tài)性。

一、函數(shù)的嵌套定義

學習過C語言的讀者都知道，C語言的函數(shù)定義都是相互獨立的，也就是說，在定義函數(shù)的時候，不能在這個函數(shù)內(nèi)部包含其它函數(shù)的定義。但是Python語言正好與之相反，它允許在定義函數(shù)的時候，其函數(shù)體內(nèi)又包含另外一個函數(shù)的完整定義，這就是我們通常所說的嵌套定義。為什么？因為函數(shù)是用def語句定義的，凡是其他語句可以出現(xiàn)的地方，def語句同樣可以出現(xiàn)。
像這樣定義在其他函數(shù)內(nèi)的函數(shù)叫做內(nèi)部函數(shù)，內(nèi)部函數(shù)所在的函數(shù)叫做外部函數(shù)。當然，我們可以多層嵌套，這樣的話，除了最外層和最內(nèi)層的函數(shù)之外，其它函數(shù)既是外部函數(shù)又是內(nèi)部函數(shù)。

下面是一個內(nèi)部函數(shù)的例子：

def f():
char='hello'
def f1():
print char
f1()

上面的定義在交互方式下的運行情況如下所示：

圖1 函數(shù)的嵌套定義

二、嵌套函數(shù)的作用域

內(nèi)部函數(shù)定義的變量只在內(nèi)部有效，包括其嵌套的內(nèi)部函數(shù)，但是對外部函數(shù)無效，如下例所示：

def f():
def f1():
x=3
print '''目前在函數(shù)f1（）中：x=''', x
def f2():
print '''目前在函數(shù)f2（）中：x=''', x
f2()
f1()

對于上面的代碼，我們定義了三個函數(shù)，其中函數(shù)f（）是函數(shù)f1（）的外部函數(shù)，而函數(shù)f1（）又是函數(shù)f2（）的外部函數(shù)。在這三個函數(shù)中我們僅定義了一個變量x，并且該變量是在函數(shù)f1（）中定義的，然后我們分別在函數(shù)f1（）和它的內(nèi)部函數(shù)f2（）中打印該變量的值。在交互式環(huán)境下的執(zhí)行情況如下所示：

圖2 內(nèi)部函數(shù)可以使用外部函數(shù)的變量

上圖說明內(nèi)部函數(shù)可以引用外部函數(shù)中定義的變量，但是外部函數(shù)卻不能引用內(nèi)部函數(shù)定義的變量，例如：

def f():
x=6
def f1():
y=18
print '''目前在內(nèi)部函數(shù)f1（）中：'''
print 'x=',x,'y=',y
f1()
print '''目前在外部函數(shù)f2（）中：'''
print 'x=',x,'y=',y

在上面的示例代碼中，我們在外部函數(shù)f（）中定義了一個變量x，然后又在內(nèi)部函數(shù)f1（）中定義了一個變量y；然后分別在內(nèi)部函數(shù)和外部函數(shù)中引用這兩個變量，代碼的交互式執(zhí)行情況如下所示：

圖3 外部函數(shù)不可以使用內(nèi)部函數(shù)的變量

很明顯，程序在引用內(nèi)部變量的時候出錯了，因為內(nèi)部函數(shù)定義的變量只對這個函數(shù)本身及其內(nèi)部函數(shù)可見，而不對其外部函數(shù)可見，所以在外部函數(shù)f（）看來，變量y尚未定義。

三、變量的四種作用域

介紹了嵌套的內(nèi)部函數(shù)之后，我們已經(jīng)接觸到了Python中變量的四種作用域，它們分別是局部作用域、全局作用域、外部作用域和Python內(nèi)建的作用域。其中，局部作用域?qū)诤瘮?shù)本身，外部作用域?qū)谕獠亢瘮?shù)（如果有的話），全局作用域?qū)谀K（或文件），Python內(nèi)建的作用域?qū)赑ython解釋程序。這四種作用域的包含關(guān)系如下所示：

圖4 變量的四種作用域

四、Python內(nèi)建的作用域

通過閱讀本系列的文章，相信讀者對于局部作用域、全局作用域和外部作用域已經(jīng)有所了解了，現(xiàn)在我們再來介紹一下有效范圍最大，即對應于Python解釋程序范圍的Python內(nèi)建的作用域。

實際上，Python解釋程序有一個預建的，或者叫自帶的模塊，叫做__builtin__。我們可以在Python解釋程序中導入該模塊，并查看其中預定義的名稱。如下圖所示：

圖5 查看__builtin__模塊中預定義的名稱

上圖為我們展示了Python內(nèi)建的作用域中已定義的所有名稱，其中大部分一些是變量名，一些是函數(shù)名。如果有興趣的話，可以直接在提示符下輸入這些名稱，來引用它們，如：

圖6 引用內(nèi)建的函數(shù)名

當我們在提示符下面輸入上面列出的函數(shù)名時，系統(tǒng)提示這些是內(nèi)建的函數(shù)名。

五、變量名的查找順序

上面說過，Python中的變量有四種作用域，那么當函數(shù)引用一個變量時，它是以怎樣的順序在這些作用域中查找變量呢？下面我們將詳細說明。

當某個函數(shù)引用一個變量時，比如變量x，它首先在該函數(shù)的局部作用域中查找該變量，如果在局部作用域中有對該變量的賦值語句，并且沒有用關(guān)鍵詞global，即沒有將其聲明為全局變量，如下所示：

x = 6

這相當于在該函數(shù)內(nèi)部定義了一個局部變量，那么這個名為x值為6的整型變量就是我們要找的。如果在當前函數(shù)的局部作用域中沒有找到該變量的定義，并且當前函數(shù)是某個函數(shù)的內(nèi)部函數(shù)的話，那么繼續(xù)由內(nèi)向外在所有外部函數(shù)中查找該變量的定義，并且將最先找到的賦值語句作為它的定義，并將第一個賦給它的值作為我們要找的變量的值。如果在所有外部函數(shù)中都沒有找到該變量的定義，或者根本就沒有外部函數(shù)，那么繼續(xù)在全局作用域中查找。如果在全局作用域中還沒有找到x的定義，那么就到Python內(nèi)建的作用域去找，如果四個作用域都沒找到的話，則說明引用了一個未加定義的變量，這時Python解釋器就會報錯。

讀者可以對照圖4進行理解。

下面我們以示例代碼進行講解，代碼如下所示：

def f():
x = 0
def f1():
x = 1
def f2():
x = 2
def f3():
x = 3
print '目前在函數(shù)f3（）中，變量x的值為：',x
print '目前在函數(shù)f2（）中，變量x的值為：',x
f3()
print '目前在函數(shù)f1（）中，變量x的值為：',x
f2()
print '目前在函數(shù)f（）中，變量x的值為：',x
f1()

上述代碼中出現(xiàn)了多層嵌套的函數(shù)，其中函數(shù)f3（）嵌套在函數(shù)f2（）中，函數(shù)f2（）嵌套在函數(shù)f1（）中，函數(shù)f1（）嵌套在函數(shù)f（）中。但是，每個函數(shù)中都對變量x進行了定義，所以各個函數(shù)都能在其局部定義域中找到變量x。上述代碼在交互式環(huán)境下的執(zhí)行結(jié)果如下所示：

圖7 在局部作用域中找到變量x的情形

在函數(shù)f（）中，變量x被賦值為0，根據(jù)查找變量時先從當前函數(shù)的局部作用域下手的規(guī)則，函數(shù)f（）看到的變量x的值就是0，其它函數(shù)依此類推。

現(xiàn)在我們對上述代碼稍作修改，將函數(shù)f3（）和函數(shù)f2（）中對變量x的定義去掉，看一下在當前函數(shù)中找不到變量的定義時的情形，代碼如下所示：

def f():
x = 0
def f1():
x = 1
def f2():
def f3():
print '目前在函數(shù)f3（）中，變量x的值為：',x
print '目前在函數(shù)f2（）中，變量x的值為：',x
f3()
print '目前在函數(shù)f1（）中，變量x的值為：',x
f2()
print '目前在函數(shù)f（）中，變量x的值為：',x
f1()

上述修改后的代碼在交互環(huán)境下執(zhí)行情況如下所示：

圖8 在局部作用域中找不到變量x的情形

從圖8可以看出，在函數(shù)f3（）、f2（）、f1（）中，變量的值都為1；只有在f0（）中變量的值為0。對于函數(shù)f3（）來說，當它打印變量x的值時，首先在其局部作用域中尋找變量x的定義，因為沒有找到，所以繼續(xù)向外到其外部函數(shù)f2（）中尋找，結(jié)果在函數(shù)f2（）的局部變量中也沒有找到變量x的定義，所以又向函數(shù)f2（）的外部函數(shù)即函數(shù)f1（）中尋找，這次找到了變量x的定義，即

x = 1

所以函數(shù)f3（）打印的變量x的值為1。當函數(shù)f2（）執(zhí)行時，首先在其局部作用域中尋找變量x的定義，沒找到，所以繼續(xù)向外部函數(shù)f1（）中尋找，這次找到了變量x的定義，即

x = 1

所以函數(shù)f2（）打印的變量x的值為1。當函數(shù)f1（）執(zhí)行時，首先在其局部作用域中尋找變量x的定義，在其局部作用域中找到了變量x的定義，其值為1，所以直接打印變量x的值。同理，當函數(shù)f（）執(zhí)行時，首先在其局部作用域中尋找變量x的定義，在其局部作用域中找到了變量x的定義，其值為0，所以直接打印變量x的值。

需要注意的是，如果內(nèi)部函數(shù)將變量聲明為全局變量，那么Python就會跳過局部作用域和外部作用域，而直接從全局作用域開始尋找該變量的定義。現(xiàn)在舉例說明：

x = 8      #定義一個全局變量
def f():
x = 0      #定義一個局部變量
print '在函數(shù)f（）中，x=',x
def f1():
global x      #將x聲明為全局變量
x = 1      #這個賦值語句并沒有定義局部變量，而是修改了全局變量的值
print '在函數(shù)f1（）中，x=',x
f1()
print '現(xiàn)在函數(shù)f（）中，x=',x

上面的代碼以交互式執(zhí)行，結(jié)果如下所示：

圖9 在內(nèi)部函數(shù)中使用全局變量的情形

從圖10可以看出，當函數(shù)f1（）執(zhí)行后，其外部函數(shù)f（）的局部變量并沒有發(fā)生變化，但是全局變量x的值卻變了。這是因為，當在內(nèi)部函數(shù)f1（）中將變量x聲明為全局變量后，賦值語句

x = 1

的作用并不是在當前函數(shù)中定義一個局部變量，因為這時函數(shù)f1（）會直接到全局作用域中查找變量，所以賦值語句實際的作用是修改了全局變量x的值。

六、函數(shù)嵌套時的執(zhí)行順序

當初學者遇到多層嵌套的函數(shù)時，對于各個函數(shù)的執(zhí)行順序經(jīng)常感到非常頭疼，不過不要緊，我們這里向大家介紹一種非常簡單的辦法，讓您輕松讀懂代碼的執(zhí)行順序。

我們曾經(jīng)說過，在使用def語句定義函數(shù)時，Python遇到該語句并不會立即執(zhí)行其語句體中的代碼，只有遇到該函數(shù)的調(diào)用時，對應def語句的語句體才會被執(zhí)行。所以，當我們分析嵌套函數(shù)的執(zhí)行順序時，遇到def語句可以先行跳過（包括其語句體），然后遇到函數(shù)調(diào)用時，在返回頭來查看對應def語句的語句體。我們以下列代碼進行說明：

def f():
x = 0
print '當前正在執(zhí)行函數(shù)f（），其變量x的值為：',x
def f1():
x = 1
print '當前正在執(zhí)行函數(shù)f1（）中，其變量x的值為：',x
def f2():
x = 2
print '當前正在執(zhí)行函數(shù)f2（）中，其變量x的值為：',x
def f3():
x = 3
print '當前正在執(zhí)行函數(shù)f3（）中，其變量x的值為：',x
f3()
f2()
f1()

上述代碼在交互式環(huán)境下的執(zhí)行情況如下所示：

圖10 多層嵌套函數(shù)執(zhí)行順序示例1

現(xiàn)在分析一下上述代碼的執(zhí)行過程。首先，當我們在命令提示符下調(diào)用函數(shù)f（）時，解釋器會尋找到該函數(shù)的定義。在函數(shù)f（）的定義的第一行下面，雖然這里的代碼很多，但是我們只關(guān)心冒號下面的第一次縮進所涉及的那些語句，在這里有四個語句，一個賦值語句，一個打印語句，一個def語句，一個函數(shù)調(diào)用語句。注意，這里的def語句及其語句體可以先跳過去。所以，除了def語句外，這四條語句的執(zhí)行順序基本上是順序執(zhí)行的，即先給變量x賦值，令其為整數(shù)0，再輸出變量x的值，這時系統(tǒng)將輸出：

當前正在執(zhí)行函數(shù)f（），其變量x的值為： 0

然后調(diào)用f1（），最后找到定義f1（）的def語句，并執(zhí)行其語句體。我們看到，在定義f1（）的def語句下面的第一次縮進對應有四條語句，分別也是一個賦值語句，一個打印語句，一個def語句，一個函數(shù)調(diào)用語句。執(zhí)行時，先賦值，即將變量x賦值為1，再打印，系統(tǒng)輸出以下內(nèi)容：

當前正在執(zhí)行函數(shù)f1（）中，其變量x的值為： 1

遇到def語句先跳過，繼而執(zhí)行函數(shù)調(diào)用，這次調(diào)用的是函數(shù)f2（）。我們找到定義該函數(shù)的def語句，并執(zhí)行該語句第一行下面第一次縮進對應的四條語句。首先將變量x賦值為2，再打印，系統(tǒng)輸出以下內(nèi)容：

當前正在執(zhí)行函數(shù)f2（）中，其變量x的值為： 2

接著，先跳過def語句，直接執(zhí)行函數(shù)調(diào)用，這次調(diào)用的是函數(shù)f3（）。我們找到定義該函數(shù)的def語句，并執(zhí)行其第一行下面第一次縮進對應的兩條語句。首先將變量x賦值為3，再打印變量的值，如下所示：

當前正在執(zhí)行函數(shù)f3（）中，其變量x的值為： 3

好了，至此這個多層嵌套的函數(shù)的執(zhí)行過程至此分析完畢。作為一個練習，讀者可以按照上面介紹的方法分析一下下列代碼，然后在交互環(huán)境中執(zhí)行一下，看看分析的對不對：

def f():
x = 0
def f1():
x = 1
def f2():
x = 2
def f3():
x = 3
print '目前在函數(shù)f3（）中，變量x的值為：',x
f3()
print '目前在函數(shù)f2（）中，變量x的值為：',x
f2()
print '目前在函數(shù)f1（）中，變量x的值為：',x
f1()
print '目前在函數(shù)f（）中，變量x的值為：',x

七、嵌套作用域的靜態(tài)性

前面說過，函數(shù)內(nèi)定義的變量局部只有在函數(shù)執(zhí)行時有效，當函數(shù)退出后就不能再訪問了，例如下列代碼：

 def f():
x = 6
print x

當我們在交互方式下執(zhí)行上述代碼時，結(jié)果如下：

圖11 局部變量的動態(tài)性

當我們在函數(shù)中引用局部變量時，完全合法。但是，一旦函數(shù)退出，再次引用函數(shù)內(nèi)的局部變量就會出錯。這是因為局部變量是動態(tài)分配的，當函數(shù)執(zhí)行時為其分配臨時內(nèi)存，函數(shù)執(zhí)行后馬上釋放。這反映出局部變量的動態(tài)性。但是當出現(xiàn)函數(shù)嵌套時，情況會有所變化。請看下列代碼：

def f(  ):
    x = 8
    def f1(  ):
        print x
    return f1

我們在交互環(huán)境下執(zhí)行上述代碼，如：

圖12 嵌套作用域的動態(tài)性

我們說明一下上面的代碼。首先，我們在函數(shù)f（）中定義了一個局部變量x和一個內(nèi)部函數(shù)f1（），最后將內(nèi)部函數(shù)名作為返回值。注意，我們在內(nèi)部函數(shù)f1（）中引用了外部函數(shù)f（）的局部變量。我們在命令提示符下調(diào)用函數(shù)f（），并將返回值賦給printx，這時變量printx中實際上存放的是內(nèi)部函數(shù)f1（）的函數(shù)名f1。所以在命令行中輸入printx（）實際上就是在調(diào)用內(nèi)部函數(shù)f1（）。然后內(nèi)部函數(shù)執(zhí)行，并引用外部函數(shù)f（）的局部變量x。這說明，發(fā)生函數(shù)嵌套后，如果內(nèi)部函數(shù)引用了外部函數(shù)的局部變量，那么外部函數(shù)的局部變量將被靜態(tài)存儲，即當函數(shù)退出后，其局部變量所占內(nèi)存也不會被釋放。

八、小結(jié)

在本文中，我們?yōu)樽x者介紹了函數(shù)的嵌套。除了嵌套函數(shù)的定義外，我們詳細解釋了嵌套函數(shù)中變量的查找過程以及相關(guān)的四種作用域，然后后講解多層嵌套函數(shù)的執(zhí)行過程，最后說明了嵌套作用域的靜態(tài)性。為了幫助讀者理解本文內(nèi)容，我們給出了大量示例代碼，讀者可以利用這些代碼實際運行、分析，從而加深理解。

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