python 中 global 作用和全局变量实现方式

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原文链接：https://punchagan.muse-amuse.in/blog/python-globals/

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本文深入探讨了Python中全局变量的使用及潜在问题，通过具体示例解释了函数globals属性与global语句的工作原理，强调了避免全局变量以增强代码可读性和调试性的必要性。

摘要

global 标志实际上是为了提示 python 解释器，表明被其修饰的变量是全局变量。这样解释器就可以从当前空间 (currentscope) 中读写相应变量了。
Python 的全局变量是模块 (module) 级别的
每个 python 函数拥有对应的 globals 字典，该字典与函数所属模块的 __dict__字典完全相同。函数的全局变量也会从这个字典中获取

注：上面三句话的意思就是，python 解释器发现函数中的某个变量被 global 关键字修饰，就去函数的 __globals__字典变量中寻找（因为 python 中函数也是一等对象）；同时，一个模块中每个函数的 globals 字典变量都是模块 dict 字典变量的引用，二者值完全相同。
避免全局变量将使得程序更容易被调试，同时也能提升程序的可读性

动机

我最近遇到了一个关于 python 全局变量的问题，如下面这个简单例子里展示（当然实际代码要比这个复杂的多，这里只是一个抽象出来当例子）。例子中 foo.py 定义了函数 f，而函数 f 调用了全局变量 a：

# foo.py

def f():
    print(a)

def main():
    global a
    a = 5
    f()

if __name__ == '__main__':
    main()

运行上面这个文件将如预料中的输出5。在另一个文件 bar.py 中我们引入上面的 f，代码如下

# bar.py
from foo import f

def main():
    f()

main()

运行 bar.py 将报 NameError 错误。这是因为 a 被定义在 foo.py 的 main 函数中，而当导入 f 函数时， foo.py 的 main 函数并未被运行，所以 a 也没哟被定义。

Traceback (most recent call last):
  File "bar.py", line 10, in <module>
    main()
  File "bar.py", line 7, in main
    f()
  File "foo.py", line 5, in f
    print(a)
NameError: global name 'a' is not defined

定义全局变量 a

为了修复上面当问题第一反应是在 bar.py 中定义全局变量 a，这样 f 就可以找到变量 a 了，如下面的代码：

# bar.py
from foo import f

def main():
    global a
    a = 4
    f()

main()

然而依旧会报错，黑人问号脸???

Traceback (most recent call last):
  File "/tmp/example/bar.py", line 13, in <module>
    main()
  File "/tmp/example/bar.py", line 9, in main
    f()
  File "/tmp/example/foo.py", line 5, in f
    print(a)
NameError: global name 'a' is not defined

函数的 globals 属性与 python 的 global 语句

python 的 global 语句的作用只是提示 python 解释器，被 global 修饰的变量是一个全局变量，利用上面例子里函数 f 的反编译代码可以清除的看到这一点：

import dis
from foo import f

dis.dis(f)

5           0 LOAD_GLOBAL              0 (print)
            2 LOAD_GLOBAL              1 (a)
            4 CALL_FUNCTION            1
            6 POP_TOP
            8 LOAD_CONST               0 (None)
           10 RETURN_VALUE

从上面可以看出变量 a 被认为是全局变量。Python 中的每一个函数都拥有一个 globals 字典变量，该变量实际是函数所属模块的 dict 变量的引用。所以在 bar.py 中我们想在 bar.main 函数中将全局变量 a 赋值为4，实际改变的是 bar.py 的 dict 字典变量 (注：而不是定义 f 的 foo.py 的 dict 字典变量)

# bar.py
def main():
    global a
    a = 4
    print(main.__globals__.keys())
    print(main.__globals__['a'])
dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'foo', 'f', 'dis', 'main', 'a'])
4

上面的代码输出了 main.globals (即 bar.dict ) 中全局变量 a 的值是4，然而这个值对函数 f 来说确是不可见的，因为 f.globals 实际等于 foo.dict (简单而言就是命名空间不同)

from foo import f
print(f.__globals__)

假设我们在 foo.py 所有函数的外部预先定义了全局变量 a ，那么在将函数 f 导入时，a 会随着 f.globals 一同被导入。但这时被导入的 f.globals[“a”] ( 即 foo.dict[“a”] ) 和 bar.main 中赋值的 bar.main.globals[“a”] ( 即 bar.dict[“a”] ) 仍然不是同一个变量，即赋值无法改变函数 f 的输出，如下面的例子所示。

# foo.py
a = 3

def f():
    print(a)

def main():
    global a
    a = 5
    f()

if __name__ == '__main__':
    main()

# bar.py
from foo import f

def main():
    global a
    a = 4
    f()

main()

运行 bar.py 输出3，而不是 4。

就上述例子而言，如果我们想在 bar.py 中改变函数 f 的输出，则需要直接更新其 globals 变量的值。

# bar.py
from foo import f

def main():
    f.__globals__['a'] = 4
    f()

main()

模块的 dict 变量和猴子布丁 (monkey-patching)

如上所述，函数的 globals 变量实际是其所属模块 dict 变量的引用。所以为了达到上面修改全局变量的目的，也可以直接更新 foo.dict 。修改模块 foo 的属性 (attribute) 值即可直接更新 foo.dict 。

# bar.py
import foo
from foo import f


def main():
    foo.a = 4
    f()

如果你曾经使用过运行中给代码打补丁的库，一般就是这么实现的。直接修改被打补丁的模块的 dict 中特定的对象或函数。

输入使得函数变得更加容易测试

上面的例子中的函数 f 如果接受输入变量的话，而不是使用全局变量，代码将更容易被测试。同时可读性也更好，出了问题也更容易 debug。

# foo.py
def f(a):
    print(a)


def main():
    a = 5
    f(a)

if __name__ == '__main__':
    main()

# bar.py
from foo import f

def main():
    a = 3
    f(a)