Python和Lua的默认作用域以及闭包

默认作用域

前段时间学了下Lua,发现Lua的默认作用域和Python是相反的。Lua定义变量时默认变量的作用域是全局(global,这样说不是很准确,Lua在执行x = 1这样的语句时会从当前环境开始一层层往上查找x,只有在找不到x的情况下才定义全局变量)的,而Python定义变量时默认变量的作用域是局部(local)的(当前块)。另外,Lua可以再定义变量时在变量前加上local关键字来定义局部变量,而Python没有类似的关键字,Python的变量只能定义在当前块中。

我们知道,全局变量是不好的,而局部变量是好的,写程序应该尽量使用局部变量。所以一开始时我觉得Python的这种约定比较好,它的优点就是可以少打些字。写Lua程序时不断在心底默念“勿忘local,勿忘local”,然而还是有时会出现几个漏网之鱼并引发了一些神奇的bug。

闭包

第一次意识到Python默认作用域的问题是在使用闭包时碰到的。关于闭包,Lua教程上有一段代码:

function new_counter()
  local n = 0
  local function counter()
    n = n + 1
    return n
  end
  return counter
end
  
c1 = new_counter()
c2 = new_counter()
print(c1())  -- 打印1
print(c2())  -- 打印1
print(c1())  -- 打印2
print(c2())  -- 打印2

闭包的本质可以参考SICP第三章的环境模型。在这里可以简单的想象为函数counter有一个私有成员n。

现在问题来了:我想用Python实现同样功能的闭包?

首先直接从Lua代码依葫芦画瓢改写成Python代码:

def new_counter():
  n = 0
  def counter():
    n = n + 1
    return n
  return counter

然后傻眼:这个程序不能运行,第4行访问了未赋值的变量n。出错的原因并非是Python不支持闭包,而是Python的赋值操作访问不了上一层的变量n(实际上,Python认为这是定义局部变量,而非赋值。在Python中定义局部变量与赋值操作在语法上是冲突的,Python干脆只支持可重定义的定义语句)。由于Python默认作用域是局部的,所以当程序运行到n = n + 1时,Python认为这是一个变量定义操作,于是创建了一个(未初始化的)局部变量n——并且顺利地覆盖了new_counter这一层的n——然后试图把n + 1赋值给n,但是n未初始化,n + 1没法计算,所以程序报错。


可以用个小技巧来实现闭包赋值的功能:

def new_counter():
  n = [0]
  def counter():
    n[0] = n[0] + 1
    return n[0]
  return counter

这里n[0] = n[0] + 1不会出错的原因是这里的等号和前面n = n + 1的等号含义不一样。n[0] = n[0] + 1中的等号意思是修改n的某个属性。事实上这个等号最终调用了list的__setitem__方法。而n = n + 1中的等号意思是在当前环境将n + 1这个值绑定到符号n中(如果当前环境已存在符号n,就覆盖它)。

另外题外话:打死我不用这种写法,多难看呐。反正Python是面向对象语言,要实现个计数器,大不了写个类。

定义与赋值的分离

先总结一下Python与Lua的默认作用域的特点:

1、 Lua默认作用域是全局的,写程序时要牢记local关键字(除非确实要定义全局变量),不小心忘了local也不会提示,就等着纠bug吧。

2、 Python默认作用域是局部的,虽然写程序的思维负担少些,但是丧失了对上层变量赋值的能力(可以改,但会让语言更混乱)。

看来两种默认作用域都有问题?个人认为,出现以上问题的原因是:Python和Lua没有实现定义和赋值的分离。在Python和Lua中,像x = 1这样的语句既可以表示定义,也可以表示赋值。其实不只是这两种语言,其实很多高级语言都没有实现定义和赋值的分离。定义和赋值两者功能上很像,但是它们本质上是有差别的。

下面以x = 1为例解释定义与赋值:

定义的意思是:在当前环境中注册符号x,并初始化为1。如果x已经存在,则报错(不允许重定义)或者覆盖(允许重定义)。

赋值的意思是:从当前环境开始,一层层往上找直到第一次找到符号x,把它的值修改成1。如果找不到就报错(变量不存在)。

现在我们稍微修改一下Python来实现定义和赋值的分离:用“:=”表示定义,用“=”表示赋值。然后重写那个不能运行的new_counter例子(Python中赋值操作和定义局部变量冲突,换句话说,Python其实没有赋值操作,所以我们只需简单的把“=”全换成“:=”就行了),看看它错在哪:

def new_counter():
  n := 0
  def counter():
    n := n + 1
    return n
  return counter

这个程序为什么是错的就很明显了。第4行我们要的是赋值操作,而非定义操作。修改成正确的写法:

def new_counter():
  n := 0
  def counter():
    n = n + 1
    return n
  return counter

这样就能正确运行了(前提是有修改版的Python解释器XD)。

最后说一些Lua的情况。Lua感觉上就把定义和赋值的分离实现了一半。带有local关键字的等号语句肯定是定义了。问题是不带local的等号语句。对于这种语句Lua是这样做的:先试图做赋值,如果赋值失败(变量不存在),就在最外层环境(全局环境)定义变量。也就是说,不带local的等号语句把定义和赋值混在一起了。另外,如果实现了定义和赋值的分离,就不需要考虑默认作用域的问题了——定义全部是在当前环境下定义,都是定义局部变量。我实在想不出在一个函数体或者什么块中定义全局变量的好处。


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