Python中的作用域（Scope）和命名空间（Namespace）

# 前言

闭包有很多高级应用，比如装饰器（decorators），但闭包这个概念有点难以理解，因为它涉及作用域和命名空间。

为了更好的理解闭包，先看看什么是作用域、命名空间。

# 作用域（Scope）

作用域是 Python 中某一个变量名字可以被识别的区域。在任何时刻，都有三个或四个嵌套的作用域层级：

• 全局作用域（Global Scope）：当前脚本的最外层。
• 局部作用域（Local Scope）：在函数或方法内，在函数内部定义了一个变量，它就属于这个作用域内。
• 封闭作用域（Enclosing Scope）：嵌套函数中，在当前函数外部，但又不属于全局的作用域。
• 内置作用域（Built-in Scope）： Python 内置对象的作用域（如len, str等）。

当你在函数内部查找变量时，Python 会按照以下顺序在作用域中进行搜索：

1. 局部作用域
2. 封闭作用域
3. 全局作用域
4. 内置作用域

# 命名空间（Namespace）

在 Python 中，命名空间是一个保存了变量名和它们对应对象的地方，每个变量名都映射到一个对象。

命名空间分为以下几个层级：

• 局部命名空间（Local Namespace）：函数内部的命名空间。
• 全局变量空间（Global Namespace）：模块的命名空间，包含导入的模块、函数定义等。
• 内置命名空间（Built-in Namespace）：Python 内置对象的命名空间，如print，len等。

当你在函数内部声明变量时，这些变量位于局部命名空间。函数外部定义的变量位于全局命名空间。

# 作用域与命名空间的关系

每当你访问一个变量，Python 会遵循LEGB规则（Local, Enclosing, Global, Built-in）按顺序在不同的层级中，查找这个变量名对应的对象。这些不同层级就是作用域，而每个作用域对应着一个命名空间，命名空间可以看作是一个存储变量名与对应对象映射关系的容器。

通过一个简单的例子来逐一理解这些概念：

# 这里定义了一个全局变量，它位于全局命名空间(Global Namespace)
global_var = "我是一个全局变量"

# len 是 Python 的内置函数，位于内置命名空间(Built-in Namespace)
# 我们会在后面覆盖它来展示内置作用域

def outer_function():
    # 这个变量位于 outer_function 的局部命名空间(Local Namespace)
    # 对于内部的 inner_function 来说，这个命名空间是它的封闭命名空间(Enclosing Namespace)
    enclosed_var = "我是一个封闭变量"

    def inner_function():
        # 这个变量位于 inner_function 的局部命名空间(Local Namespace)
        local_var = "我是一个局部变量"
        print(local_var)       # 访问局部变量
        print(enclosed_var)    # 访问封闭作用域中的变量
        print(global_var)      # 访问全局变量
        print(len([]))         # 访问内置作用域的函数

    # 调用内部函数
    inner_function()

# 覆盖内置的 len 函数，这将在全局命名空间中创建一个新的名字 len
len = "这是覆盖内置len函数的全局变量"

# 调用外部函数
outer_function()

1. lobal_var 定义在最外层，属于全局作用域（Global Scope），位于全局命名空间（Global Namespace）。
2. outer_function 定义了一个名为 enclosed_var 的变量，这个变量是函数outer_function的局部作用域（Local Scope），对于 inner_function 来说，这个作用域是封闭作用域（Enclosing Scope），变量位于封闭的局部命名空间中。
3. local_var是inner_function的局部变量，属于局部作用域（Local Scope），位于它的局部命名空间（Local Namespace）。
4. len 是一个内置函数，它原本是内置作用域（Built-in Scope）的一部分，位于内置命名空间（Built-in Namespace）。但在这个例子中，我们在全局命名空间中又定义了一个同名的字符串变量 len，这会覆盖内置的 len 函数。

上面代码执行结果如下：

我是一个局部变量
我是一个封闭变量
我是一个全局变量
这是覆盖内置len函数的全局变量

你肯定会问，为什么上面描述命名空间时，没有提到封闭命名空间（Enclosing Namespace），这是因为在 Python 中，封闭命名空间这个术语通常不会单独使用，而是在讨论闭包和作用域的上下文中才会出现。

这个术语并不是官方文档中的标准术语，但可以被用来指代嵌套函数中外层函数的局部变量的集合，从而帮助更好的理解闭包是如何工作的。

封闭命名空间（Enclosing Namespace）的概念是相对于内部函数来说的。

在上面的例子中：

对于 outer_function来说，变量 enclosed_var 位于它的局部命名空间（Local Namespace），但是对于 inner_function来说，变量 enclosed_var 位于它的封闭命名空间（Enclosing Namespace）。

这种封闭命名空间的概念是闭包的基础，它允许内部函数访问外部函数的局部变量，即便外部函数的执行已经结束，这种结构使得内部函数可以保持外部函数状态的引用。

# 闭包与作用域的关系

闭包即一个函数内部定义了另一个函数，并且这个内部函数还引用了外部函数的变量。通常当外部函数执行完成后，其局部作用域的生命周期就结束了，局部变量也会被垃圾回收。

但是，如果内部函数继续存活，比如被作为返回值传递出去，那么这个内部函数仍然持有外部函数的变量引用。这些变量的生命周期会被延长，仍然可以在外部函数执行完毕后被内部函数访问，这就是闭包。

闭包的强大之处在于，即使外部函数的执行上下文已经不存在了，闭包依然保留了外部函数作用域中变量的状态。这就允许我们在 Python 中实现某些编程模式，比如工厂函数、装饰器等。