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四个函数搞清 Python 作用域

Python 内置函数中，和作用域相关的函数有 locals、global、vars 以及 dir。日常常用这些函数，但时常分不清准确用法，试来试去。下面来分析这些函数是什么意思，有什么差别，一劳永逸学会 Python 作用域的相关知识点。

本文先说明这些函数最直接的功能，然后对特殊情况进行解释，最后说明这些函数有什么用。

最直接的功能

最直接和常用的功能如下：

• locals() 返回当前局部作用域的符号表字典。
• globals() 返回全局作用域的符号表字典。
• vars() 相当于 locals ()
• dir() 返回当前局部作用域的符号表字典对应的 keys()。

来看代码。

>>> import time
>>> pi = 3.1415
>>> globals()
{'__spec__': None, 'pi': 3.1415, 'time': <module 'time' (built-in)>, '__loader__': <class'_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>}

这里导入了 time 模块，定义了 pi 全局变量。调用 globas () 输出全局变量，可见是一些系统相关的内置属性，以及定义的 pi 和导入的 time 。

出于篇幅和方便阅读考虑，之后输出都不再列出 __ 开头的属性。上例输出，去掉 __ 开头属性为：{'pi': 3.1415, 'time': <module 'time' (built-in)>}，阅读更清晰。

继续调用 locals() 函数，输出当前局部作用域的变量表。因为 locals() 位于交互 REPL 界面，所以当前局部作用域实际就是全局作用域，所以两者输出一样。

>>> locals() #去掉 __ 开头的属性。
{'pi': 3.1415, 'time': <module 'time' (built-in)>}

继续，因为 vars() 相当于 locals()，所以代码globals() == locals() == vars()成立，结果为 True 。

最后调用 dir()，返回当前局部作用域的符号表字典对应的 keys()。

>>> dir() #去掉 __ 开头的属性
['pi', 'time']

因为 dir() 返回的是局部变量字典的 keys，又因为这里局部变量和全局变量一致，加上 vars() 又相当于 locals()，所以实际上，可以得到如下等式。

>>> sorted(dir()) == sorted(globals().keys()) == sorted(locals().keys()) == sorted(vars().keys())
True

目前为止的分析中，locals 和 globals 都在全局作用域中，vars 和 dir 都没有参数，下面分析特殊情况。

特殊情况

先来分析当 locals 和 globals 位于函数内部时的情况。

locals 和 globals 位于函数内部

看如下代码

zs = 'zhangsan'
def hello(name):
    print(globals())
    print(locals())
    print(vars())
    print(dir())
    print('Hello,%s!'%name ) 
ls = 'lisi'
hello(ls)

在函数内部，global() 返回的是全局作用域变量，所以 zs，ls 和 hello 函数都有。而 locals() 返回局部变量和自由变量，这里没有闭包，只有函数形参 name。vars() 和 dir() 和上例相同，结果如下：

{'ls': 'lisi', 'zs': 'zhangsan', 'hello': <function hello at 0x00667DB0>} 
{'name': 'lisi'}
{'name': 'lisi'}
['name']
Hello,lisi!

另外，确切地说，globals() 返回的是函数定义时的全局变量空间。所以，如果 zs 变量和 hello 函数定义在另一个文档 lib.py 中，在本程序中 from lib import hello 后，再执行，返回的是定义时的全局变量：{'zs': 'zhangsan', 'hello': <function hello at 0x00667DB0>}不会包含调用空间的全局变量 ls。

下面说明当 vars 和 dir 有参数时的情况。

vars 和 dir 带参数执行

vars 和 dir 函数有参数时的功能如下：

• vars(obj) 返回 obj 的 dict。
• dir(obj) 返回 obj 的属性。

vars(obj) 返回模块、类、实例以及有 dict 属性的对象的 dict 属性。

模块、类以及实例中的 dict 指代模块的命名空间或属性字典。

如下代码，新建一个类和类的实例，分别对类和实例进行 vars 操作，可见：

class Man:
    def __init__(self,age,name):
        self.age = age
        self.name = name
zs = Man(21,'zhangsan')
print(vars(Man))
print(vars(zs))

这其中，类返回的是编译相关的对象，诸如弱引用、模块名、文档等。对象返回的是属性，这里是对象属性 age 和 name。

{'__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'Man' objects>, '__dict__': <attribute '__dict__' of 'Man' objects>, '__module__': '__main__', '__doc__': None, '__init__': <function Man.__init__ at 0x00657390>}
{'age': 21, 'name': 'zhangsan'}

dir(obj) 返回对象的有效属性的名字，这个有效属性根据模块、类和对象等有所不同，大概是从 dict 中提取的，但又不全然这样。

虽然常在交互模式下 dir() 查询对象，但这查询并不完全。

看实例和类的差别。

print(set(dir(zs))-set(dir(Man)))

以上代码对 zs 实例和 Man 类的 dir() 执行结果求差集，可知对象实例与类实例相比，多了 {'age', 'name'} 两个属性，这也是 zs 实例的应有之义。

分析了半天的 globals、locals、vars和 dir，它们有什么用呢？

作用

了解、分析对象用法

我们常在 REPL 命令行中用 dir() 来查看类或对象支持的方法、拥有的属性，这在认识新包、编写程序需要提示时比较有作用。比如 import time 后，忘记 time 的方法了，可以 dir(time) 一下。

globals 和 locals 可以帮助认识函数的作用域，了解当前作用域的变量，分析局部、全局、自由变量。

另外，借助于 globals 和 Locals 可以实现动态编写代码。

动态编写代码

如下代码，用 exec 动态执行 Python 代码，生成新的变量 s。这里 exec 第一个参数时源代码，第二个参数是源代码的全局变量环境，第三个参数是源代码的局部变量环境。

取当前全局变量字典（为了用全局变量 math 中的 pi）做第二个参数。

取当前局部变量字典，并稍作修改，加入 r 局部变量，形成 loc 字典做第三个参数。

import math 
loc = locals()
loc['r'] = 10
print('exec',exec('s = math.pi * r * r'),globals(),loc)
print(s)
print(locals()['s'])

可得计算结果 314.159。用 print(s) 输出，说明这里的 s 是动态生成的。又用 locals()['s'] 输出，说明这里的 s 赋值给了局部作用域字典。

总结

本文先说明 globals ()、locals()、vars()、dir() 这些函数最直接的功能，然后对特殊情况进行解释，最后说明这些函数在理解变量作用域、分析对象、动态编码中的作用。