Python和Lua的默認作用域以及閉包

 

默認作用域

前段時間學了下Lua，發現Lua的默認作用域和Python是相反的。Lua定義變量時默認變量的作用域是全局（global，這樣說不是很准確，Lua在執行x = 1這樣的語句時會從當前環境開始一層層往上查找x，只有在找不到x的情況下才定義全局變量）的，而Python定義變量時默認變量的作用域是局部（local）的（當前塊）。另外，Lua可以再定義變量時在變量前加上local關鍵字來定義局部變量，而Python沒有類似的關鍵字，Python的變量只能定義在當前塊中。

我們知道，全局變量是不好的，而局部變量是好的，寫程序應該盡量使用局部變量。所以一開始時我覺得Python的這種約定比較好，它的優點就是可以少打些字。寫Lua程序時不斷在心底默念“勿忘local，勿忘local”，然而還是有時會出現幾個漏網之魚並引發了一些神奇的bug。

閉包

第一次意識到Python默認作用域的問題是在使用閉包時碰到的。關於閉包，Lua教程上有一段代碼：

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

閉包的本質可以參考SICP第三章的環境模型。在這里可以簡單的想象為函數counter有一個私有成員n。

現在問題來了：我想用Python實現同樣功能的閉包？

首先直接從Lua代碼依葫蘆畫瓢改寫成Python代碼：

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

然后傻眼：這個程序不能運行，第4行訪問了未賦值的變量n。出錯的原因並非是Python不支持閉包，而是Python的賦值操作訪問不了上一層的變量n（實際上，Python認為這是定義局部變量，而非賦值。在Python中定義局部變量與賦值操作在語法上是沖突的，Python干脆只支持可重定義的定義語句）。由於Python默認作用域是局部的，所以當程序運行到n = n + 1時，Python認為這是一個變量定義操作，於是創建了一個（未初始化的）局部變量n——並且順利地覆蓋了new_counter這一層的n——然后試圖把n + 1賦值給n，但是n未初始化，n + 1沒法計算，所以程序報錯。

可以用個小技巧來實現閉包賦值的功能：

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

這里n[0] = n[0] + 1不會出錯的原因是這里的等號和前面n = n + 1的等號含義不一樣。n[0] = n[0] + 1中的等號意思是修改n的某個屬性。事實上這個等號最終調用了list的__setitem__方法。而n = n + 1中的等號意思是在當前環境將n + 1這個值綁定到符號n中（如果當前環境已存在符號n，就覆蓋它）。

另外題外話：打死我不用這種寫法，多難看吶。反正Python是面向對象語言，要實現個計數器，大不了寫個類。

定義與賦值的分離

先總結一下Python與Lua的默認作用域的特點：

1、 Lua默認作用域是全局的，寫程序時要牢記local關鍵字（除非確實要定義全局變量），不小心忘了local也不會提示，就等着糾bug吧。

2、 Python默認作用域是局部的，雖然寫程序的思維負擔少些，但是喪失了對上層變量賦值的能力（可以改，但會讓語言更混亂）。

看來兩種默認作用域都有問題？個人認為，出現以上問題的原因是：Python和Lua沒有實現定義和賦值的分離。在Python和Lua中，像x = 1這樣的語句既可以表示定義，也可以表示賦值。其實不只是這兩種語言，其實很多高級語言都沒有實現定義和賦值的分離。定義和賦值兩者功能上很像，但是它們本質上是有差別的。

下面以x = 1為例解釋定義與賦值：

定義的意思是：在當前環境中注冊符號x，並初始化為1。如果x已經存在，則報錯（不允許重定義）或者覆蓋（允許重定義）。

賦值的意思是：從當前環境開始，一層層往上找直到第一次找到符號x，把它的值修改成1。如果找不到就報錯（變量不存在）。

現在我們稍微修改一下Python來實現定義和賦值的分離：用“:=”表示定義，用“=”表示賦值。然后重寫那個不能運行的new_counter例子（Python中賦值操作和定義局部變量沖突，換句話說，Python其實沒有賦值操作，所以我們只需簡單的把“=”全換成“:=”就行了），看看它錯在哪：

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

這個程序為什么是錯的就很明顯了。第4行我們要的是賦值操作，而非定義操作。修改成正確的寫法：

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

這樣就能正確運行了（前提是有修改版的Python解釋器XD）。

最后說一些Lua的情況。Lua感覺上就把定義和賦值的分離實現了一半。帶有local關鍵字的等號語句肯定是定義了。問題是不帶local的等號語句。對於這種語句Lua是這樣做的：先試圖做賦值，如果賦值失敗（變量不存在），就在最外層環境（全局環境）定義變量。也就是說，不帶local的等號語句把定義和賦值混在一起了。另外，如果實現了定義和賦值的分離，就不需要考慮默認作用域的問題了——定義全部是在當前環境下定義，都是定義局部變量。我實在想不出在一個函數體或者什么塊中定義全局變量的好處。