摘要：薛定諤的貓以上內(nèi)容是前提，友情提示，如你有理解模糊之處，請(qǐng)先閱讀對(duì)應(yīng)的文章。這個(gè)例子告訴大家薛定諤的貓混入了的字典中，而且答案是，打開籠子，這只貓就會(huì)死亡。

本文原創(chuàng)并首發(fā)于公眾號(hào)【Python貓】，未經(jīng)授權(quán)，請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載。
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Python 是一門強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言，那動(dòng)態(tài)體現(xiàn)在哪里，強(qiáng)大又體現(xiàn)在哪里呢？除了好的方面，Python 的動(dòng)態(tài)性是否還藏著一些使用陷阱呢，有沒有辦法識(shí)別與避免呢？

沿著它的動(dòng)態(tài)特性話題，貓哥有幾篇文章依次探及了：動(dòng)態(tài)修改變量、動(dòng)態(tài)定義函數(shù)、動(dòng)態(tài)執(zhí)行代碼等內(nèi)容，然而，當(dāng)混合了變量賦值、動(dòng)態(tài)賦值、命名空間、作用域、函數(shù)的編譯原理等等內(nèi)容時(shí)，問題就可能會(huì)變得非常棘手。

因此，這篇文章將前面一些內(nèi)容融匯起來(lái)，再做一次延展的討論，希望能夠理清一些使用的細(xì)節(jié)，更深入地探索 Python 語(yǔ)言的奧秘。

先看看這一個(gè)例子：

# 例0
def foo():
    exec("y = 1 + 1")
    z = locals()["y"]
    print(z)
    
foo()

# 輸出：2

exec() 函數(shù)的代碼塊中定義了變量 y，這個(gè)值可以被隨后的 locals() 取到，在賦值后也打印了出來(lái)。然而，在這個(gè)例子的基礎(chǔ)上，只需做出小小的改變，結(jié)果就可能大不相同了。

# 例1
def foo():
    exec("y = 1 + 1")
    y = locals()["y"]
    print(y)
    
foo()

# 報(bào)錯(cuò)：KeyError: "y"

把前例的 z 改為 y ，就報(bào)錯(cuò)了。其中，KeyError 指的是在字典中不存在對(duì)應(yīng)的 key 。為什么會(huì)這樣呢，新賦值的變量是 y 或者 z，為什么對(duì)結(jié)果有這么不同的影響？

試試把 exec 去掉，不報(bào)錯(cuò)！

# 例2
def foo():
    y = 1 + 1
    y = locals()["y"]
    print(y)

foo()

# 2

問題：直接對(duì) y 賦值，跟動(dòng)態(tài)地在 exec() 中賦值，會(huì)對(duì) locals() 取值產(chǎn)生怎樣的影響？

再試試對(duì)例 1 的 locals() 先賦值，還是報(bào)錯(cuò)：

# 例3
def foo():
    exec("y = 1 + 1")
    boc = locals()
    y = boc["y"]
    print(y)
 
foo()

# KeyError: "y"

先做一次賦值，難道沒有用么？也不是，如果把賦值的順序調(diào)前，就不報(bào)錯(cuò)了：

# 例4
def foo():
    boc = locals()
    exec("y = 1 + 1")
    y = boc["y"]
    print(y)

foo()

# 2

也就是說(shuō)，locals() 的值并不是固定的，它的值與調(diào)用時(shí)的上下文相關(guān)，調(diào)用 locals() 的時(shí)機(jī)至關(guān)重要。

然而，如果想要驗(yàn)證一下，在函數(shù)中增加一個(gè) locals() 的打印，這個(gè)動(dòng)作卻會(huì)影響到最終的執(zhí)行結(jié)果。

# 例5
def foo():
    boc = locals()
    exec("y = 1 + 1")
    print(locals())
    y = boc["y"]
    print(y)

foo()

# {"boc": {...}}
# KeyError: "y"

這到底是怎么回事呢？

以上例子在細(xì)微之處有較大的不同，主要由于以下知識(shí)點(diǎn)的影響：

1、變量的聲明與賦值

2、locals() 取值與修改的邏輯

3、locals() 字典與局部命名空間的關(guān)系

4、函數(shù)的編譯，抽象語(yǔ)法樹的解析

注意：exec() 函數(shù)有兩個(gè)缺省的參數(shù) globals() 與 locals() （與內(nèi)置函數(shù)同名），起的是限定字符串參數(shù)中變量的作用，若添加出來(lái)，只會(huì)增加以上例子的復(fù)雜度，因此，我們都做缺省處理，這里討論的是 exec() 只有一個(gè)參數(shù)的情況。

在某些編程語(yǔ)言中，變量的聲明與賦值是可以分開的，例如在聲明時(shí)寫 int a ，需要賦值時(shí)，再寫 a = 1 ，當(dāng)然也可不拆分，則是 int a = 1 。

對(duì)應(yīng)到 Python 中，情況就不同了，這兩個(gè)動(dòng)作在書寫時(shí)是合二為一的。首先它不用指定變量的類型，任何時(shí)候都不需要（也不能）在變量前加類型（如 int），其次，聲明與賦值過(guò)程無(wú)法拆分書寫，即只能寫成 a = 1 這樣。看起來(lái)它跟其它語(yǔ)言的賦值寫法一樣，但實(shí)際上，它的效果是 int a = 1 。

這雖然是一種便利，但也隱藏了一個(gè)不易察覺的陷阱（劃重點(diǎn)）：當(dāng)看到 a = 1 時(shí)，你無(wú)法確定 a 是初次聲明的，還是已被聲明過(guò)的。

關(guān)于 locals() 的創(chuàng)建過(guò)程，在《Python 動(dòng)態(tài)賦值的陷阱》文中有所分析，locals() 字典是局部命名空間的代理，它會(huì)采集局部作用域的變量，代碼運(yùn)行期若動(dòng)態(tài)修改局部變量，只會(huì)影響該字典，并不會(huì)影響真正的局部作用域的變量。因此，當(dāng)再次調(diào)用 locals() 時(shí)，由于重新采集，則動(dòng)態(tài)修改的內(nèi)容會(huì)被丟棄。

運(yùn)行期的局部命名空間不可改變，這意味著 exec() 函數(shù)中的變量賦值不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響，但 locals() 字典是可變的，會(huì)受到 exec() 函數(shù)的影響。

而關(guān)于函數(shù)的編譯，我在《Python與家國(guó)天下》中寫到了對(duì) 抽象語(yǔ)法樹 的分析，Python 在編譯時(shí)就確定了局部作用域內(nèi)合法的變量名，在運(yùn)行時(shí)再與內(nèi)容綁定。作用域內(nèi)變量的解析跟它的執(zhí)行順序無(wú)關(guān)，更與是否會(huì)被執(zhí)行無(wú)關(guān)。

以上內(nèi)容是前提，友情提示，如你有理解模糊之處，請(qǐng)先閱讀對(duì)應(yīng)的文章。接下來(lái)則是基于這些內(nèi)容而作的分析。

我不敢保證每個(gè)細(xì)節(jié)都準(zhǔn)確無(wú)誤，但這個(gè)分析力求達(dá)到深入淺出、面面俱到、邏輯自恰，而且順便幽默有趣……

例 0 中，局部作用域內(nèi)雖然沒有 ‘y’，但 exec() 函數(shù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建了它，因此動(dòng)態(tài)地寫入了 locals() 字典中，所以能查找到而不報(bào)錯(cuò)。

例 1 中，exec() 不影響局部作用域，即此時(shí) y 未在局部作用域內(nèi)做過(guò)聲明與賦值，接下來(lái)的一句才是第一次在局部作用域中對(duì) y 作聲明與賦值 ！

y = locals()["y"] ，等號(hào)左側(cè)在做聲明，只要等號(hào)右側(cè)的結(jié)果成立，整個(gè)聲明與賦值的過(guò)程就成立。右側(cè)需在 locals() 字典中查找 y 對(duì)應(yīng)的值。

在創(chuàng)建 locals() 字典時(shí)，由于局部作用域內(nèi)有變量 y 的聲明，因此我們首先在其中采集到了 y，而不必在 exec() 函數(shù)的動(dòng)態(tài)結(jié)果中查找。這就有了字典的一個(gè) key，接著要匹配這個(gè) key 對(duì)應(yīng)的值，也即 y 所綁定的值。

但是，剛才說(shuō)了這是 y 的第一次賦值，并未完成呢，因此 y 并無(wú)有效的綁定值。

矛盾出現(xiàn)了，這里有點(diǎn)繞，我們理一下：左側(cè)的 y 等著完成賦值，因此需要右側(cè)的執(zhí)行結(jié)果；而右側(cè)的字典需要使用到 y 的值，因此就依賴著左側(cè)的 y 完成賦值。兩邊的操作都未完成，但雙方都需要依賴對(duì)方先完成，這是個(gè)無(wú)法破解的死局。

可以說(shuō)，y 的值是一團(tuán)混沌，它必然等于 “l(fā)ocals()["y"]” ，然而只有解開這團(tuán)代碼才能確切得到結(jié)果——只有打開籠子才知道結(jié)果，你是否想到了薛定諤的那只貓呢？

locals() 字典雖然拿到了 y 的名，卻拿不到它的實(shí)，空歡喜一場(chǎng)，所以報(bào) KeyError。

例 3 同理，未完成賦值就使用，所以報(bào)錯(cuò)。

例 2 中，y 在二次賦值的過(guò)程時(shí)，局部命名空間中已經(jīng)存在著有效的 y 等于 2，因此 locals() 查找到它而用于賦值，所以不報(bào)錯(cuò)。

至于例 4，它跟例 3 只差了一個(gè)執(zhí)行順序，為什么不會(huì)報(bào)錯(cuò)呢？還有更奇怪的，在例 4 上再加一個(gè)打印（例5），理應(yīng)不會(huì)影響結(jié)果，可事實(shí)卻是又報(bào)錯(cuò)了，為什么？

例 4 中，boc = locals() 這句同樣存在循環(huán)引用的問題，因此執(zhí)行后的字典中沒有 y，接著 exec() 這句動(dòng)態(tài)地修改了 locals()，執(zhí)行后 boc 的結(jié)果是 {"y" : 2}，因此再下一句的 boc["y"] 能查找到結(jié)果，而不報(bào)錯(cuò)。

例 4 與例 3 的 ”y = boc["y"]“ ，雖然都是第一次在局部作用域中聲明與賦值 y，但例 4 的 boc 已被 exec() 修改過(guò)，因此它能取到實(shí)實(shí)在在的值，就不再有循環(huán)引用的問題了。

接著看例 5，第一個(gè) locals() 還是存在循環(huán)引用現(xiàn)象，接著 exec() 往字典中寫入變量 y，但是，第二個(gè) locals() 又觸發(fā)了新的創(chuàng)建字典過(guò)程，會(huì)把 exec() 的執(zhí)行結(jié)果覆蓋，因此進(jìn)入第二輪循環(huán)引用，導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)。

例 5 與例 4 的不同在于，它是根據(jù)局部作用域重新生成的字典，其效果等同于例 3。

另外，請(qǐng)?zhí)貏e注意打印的結(jié)果：{"boc": {…}} 。

這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，第二個(gè) locals() 是一個(gè)字典，而且它只有唯一的 key 是 ’boc‘，而 ’boc‘ 映射的是第一個(gè) locals() 字典，也即是 {...} 。這個(gè)寫法表示它內(nèi)部出現(xiàn)了循環(huán)引用，直觀地證實(shí)了前面的所有分析。

字典內(nèi)部出現(xiàn)循環(huán)引用 ，這個(gè)現(xiàn)象極其罕見！前面雖然做了分析，但看到這里的時(shí)候，不知道你是否覺得不可思議？

之所以第一次的循環(huán)引用能被記錄下來(lái)，原因在于我們沒有試圖去取出 ’y‘ 的值，而第二個(gè)循環(huán)引用則由于取值報(bào)錯(cuò)而無(wú)法記錄下來(lái)。

這個(gè)例子告訴大家：薛定諤的貓混入了 Python 的字典中，而且答案是，打開籠子，這只貓就會(huì)死亡。

字典的循環(huán)引用現(xiàn)象在幾個(gè)例子中扮演了極其重要的角色，但是往往被人忽視。之所以難以被人覺察，原因還是前面劃重點(diǎn)的內(nèi)容：當(dāng)看到 a = 1 時(shí)，你無(wú)法確定 a 是初次聲明的，還是已被聲明過(guò)的。

在《Python與家國(guó)天下》文中，貓哥分析了兩類經(jīng)典的報(bào)錯(cuò)：name "x" is not defined、local variable "x" referenced before assignment。它們通常也是由于聲明與賦值不分，而導(dǎo)致的失察。

本文中的 KeyError 實(shí)際上就是 “l(fā)ocal variable "y" referenced before assignment”，y 已 defined 而未 assigned，導(dǎo)致 reference 時(shí)報(bào)錯(cuò)。

已賦值還是未賦值，這是個(gè)問題。也是一只貓。

最后，盡管這只貓?jiān)诎抵袚v了大亂，我們還是要感謝它：感謝它串聯(lián)了其它知識(shí)被我們“一鍋端”，感謝它為這篇抽象燒腦的文章?lián)铣隽藥追只顫娚鷦?dòng)的趣味……（以及，感謝它帶來(lái)的標(biāo)題靈感，不知道有多少人是沖著標(biāo)題而閱讀的？）

本文中的幾個(gè)例子早在 3 月 24 日就想到了，但我沒法給自己一套完全滿意的解答。在與群內(nèi)小伙伴們陸續(xù)討論了一整個(gè)下午后，我依然不滿足，最終打消了寫入《深度辨析 Python 的 eval() 與 exec()》這篇文章的念頭。兩個(gè)月來(lái)，群內(nèi)偶爾討論過(guò)幾次相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，感謝好幾位同學(xué)（特別@櫻雨樓）的討論，我終于覺得時(shí)機(jī)到了（其實(shí)是稿荒啦），把沉睡近兩個(gè)月的草稿翻出來(lái)……如今的分析，我自認(rèn)為是能說(shuō)得通，而且關(guān)鍵細(xì)節(jié)無(wú)遺漏的，但仍可能有瑕疵，如果你有什么想交流的，歡迎給我留言。

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