Python函数作用域和闭包：全局变量、局部变量、嵌套作用域、nonlocal和global关键字

Python 是一种动态类型、解释型、面向对象、支持多种编程范式的高级编程语言。Python 支持不同作用域的变量，包括全局变量、局部变量、嵌套作用域变量。同时 Python 还支持闭包，这种特殊的函数可以捕获局部变量，使得局部变量在函数运行期间不会被释放。本文将详细介绍 Python 函数作用域和闭包的相关知识。

一、作用域和可见性

在 Python 中，变量分为全局变量和局部变量，其作用域和可见性不同。全局变量在整个程序中都可见，而局部变量只在函数内部可见。另外，Python 中还有嵌套作用域的概念，也就是函数里面再嵌套函数。

1. 全局变量

在函数外定义的变量就是全局变量，它的作用域是整个程序，即在任何函数内都可以访问。通常在函数之外，也就是在文件的最上面定义全局变量。

例如：

a = 1 # 全局变量
 
def test():
    print(a)
 
test() # 输出 1

在上面的代码中，a 是全局变量，在函数中也可以使用。如果在函数内部需要修改全局变量，则需要使用 global 关键字。

2. 局部变量

在函数内部定义的变量就是局部变量，它的作用域只在函数内部。 当函数执行完毕后，局部变量会被释放。

例如：

def test():
    b = 2 # 局部变量
    print(b)
 
test() # 输出 2
print(b) # 报错，b 未定义

在上面的代码中，b 是一个局部变量，只能在函数内部使用，当函数执行完毕后 b 会被释放。

3. 嵌套作用域

Python 内部支持函数嵌套，函数内部的函数被称为内嵌函数，内嵌函数所在的作用域被称为嵌套作用域。内嵌函数可以访问外部函数的局部变量。

例如：

def outer():
    c = 3 # outer 的局部变量
 
    def inner():
        print(c) # 访问外层函数的局部变量 c
 
    inner()
 
outer() # 输出 3

在上面的代码中，outer 是外层函数，inner 是内嵌函数，inner 访问了 outer 的局部变量 c。

4. 可见性

在 Python 中，局部变量和全局变量的可见性是不一样的。当函数内部存在一个变量名与全局变量名称相同，函数内部的局部变量会遮盖全局变量。此时如果需要访问全局变量，则需要使用 global 关键字。

例如：

d = 4 # 全局变量
 
def test():
    d = 5 # 局部变量
    print(d) # 输出 5
 
test()
print(d) # 输出 4

在上面的代码中，函数内部的变量 d 遮盖了全局变量，所以打印出来的结果是 5。

如果需要访问全局变量，则需要使用 global 关键字。

例如：

e = 6 # 全局变量
 
def test():
    global e # 声明 e 是全局变量
    e = 7 # 修改全局变量 e 的值
    print(e) # 输出 7
 
test()
print(e) # 输出 7

在上面的代码中，通过 global e 声明了 e 是全局变量，所以 test 函数中的 e=7 修改了全局变量 e 的值。

二、闭包

闭包是一种特殊的函数，它可以捕获局部变量，使得局部变量在函数运行期间不会被释放。这种特殊的函数可以把一些数据和函数捆绑在一起，方便代码的重用和维护。 闭包的本质是函数对象，它包含外部函数的信息和内部函数的信息。

在 Python 中，闭包是通过内嵌函数实现的。内嵌函数可以捕获外部函数的局部变量，然后返回内嵌函数，从而实现闭包。

例如：

def counter():
    b = 0
 
    def inner():
        nonlocal b # 声明 b 不是局部变量
        b += 1
        print(b)
 
    return inner
 
c = counter() # 返回一个闭包函数
c() # 输出 1
c() # 输出 2
c() # 输出 3

在上面的代码中，counter 函数返回一个内嵌函数 inner，内嵌函数可以访问外层函数的局部变量 b。当内嵌函数返回后，局部变量 b 不会被释放，因为内嵌函数保存了对其的引用，从而实现了闭包。

三、总结

Python 函数作用域和闭包是 Python 中重要的概念。本文介绍了 Python 中的全局变量、局部变量、嵌套作用域变量、global 和 nonlocal 关键字，以及闭包的基本概念和用法。理解函数作用域和闭包有助于我们编写更加简洁、清晰、可维护的代码。