11.2 函数进阶与类 —— 作用域¶

内容梗概¶

本课在进入"面向对象与类"之前，先讲清 Python 中变量（名称）的作用域问题，并与 C 语言的头文件/全局变量机制做对比。核心内容包括：模块（文件）作用域与函数局部作用域的区分、global 关键字的作用、嵌套函数下的名称搜索顺序（LEGB 思路的直观讲解）、nonlocal 关键字，以及一个极易混淆的特例——函数内对列表参数用 = 赋值与用 += 追加的截然不同行为。老师用画图（"连连看"）方式逐行推演了一个经典的嵌套作用域示例，期间自己讲错一次后当场纠正，也借此提醒学生这些概念很容易绕晕。

知识点详解¶

引入：Python 的作用域与 C 语言的对比 (约 00:00 - 00:47)¶

C 语言中在头文件定义变量即为全局变量，影响范围取决于多少文件引用了该头文件。
Python 中需要弄清：变量/名字的作用域是怎样的、如何查看作用域。

局部变量与模块作用域 (约 00:49 - 04:30)¶

例子：函数 demo 内部定义 test = 1，函数外（文件级）定义 test = 2；调用 demo() 后 print(test) 输出 2。
原因：函数内的 test 是局部变量，只在函数内有效；Python 中**一个文件就是一个模块**，文件级（模块）作用域里的 test 始终是外面那个，函数内的赋值不影响它。
变量定义位置（在前在后）不影响结果；赋值语句本身即完成定义（不需要像有些同学习惯的那样先初始化 test = 0）。

`global` 关键字 (约 03:28 - 04:30)¶

若要在函数内访问/修改最外层（模块级）的变量，需先用 global test 声明，之后的赋值就作用于全局变量；此后函数内对 test 的修改会让外面的 test 变为新值（演示打印出 1）。
注意：函数的作用域本身没有变化，只是函数内操作的那个名字被绑定到了全局变量上。

嵌套作用域与名称搜索顺序（经典示例）(约 04:37 - 23:00)¶

以 PPT 第 9 页的经典示例逐行推演（老师在屏幕上画图"连连看"）：

def scope_test():          # 外层函数，内有局部 spam
    def do_local():
        spam = "local spam"          # 只影响自己的局部作用域
    def do_nonlocal():
        nonlocal spam
        spam = "nonlocal spam"       # 修改外层 scope_test 的 spam
    def do_global():
        global spam
        spam = "global spam"         # 修改模块级 spam
    spam = "test spam"
    do_local()
    print("After local assignment:", spam)
    do_nonlocal()
    print("After nonlocal assignment:", spam)
    do_global()
    print("After global assignment:", spam)

scope_test()
print("In global scope:", spam)

作用域层次（嵌套）：模块（module）作用域 → scope_test 函数作用域 → 三个内部函数各自的作用域。模块级和 scope_test 级各有自己的 spam，三个内部函数同级。
搜索顺序：访问一个名字时，先在最内部（局部）作用域找；找不到则向上退一级找最近的非局部定义；global 则直接指向**本模块**最外层（不会超出模块）。
逐步推演（终极目标是能在大脑中算出每句 print 的输出）：
spam = "test spam"：定义在 scope_test 的局部作用域。
do_local() 内的赋值只定义了自己内部的 spam，不影响外层。故第一行打印 After local assignment: test spam。
do_nonlocal() 用 nonlocal 声明后，内部不定义新名字，直接找到"非局部、离我最近"的 spam（即 scope_test 的 spam）并修改为 nonlocal spam。第二行打印 nonlocal spam。
do_global() 修改的是**模块级** spam（变为 global spam），但 scope_test 自己的 spam 没变。第三行打印仍是 nonlocal spam。
函数返回后模块级 print 输出 In global scope: global spam。
最终四行输出：test spam、nonlocal spam、nonlocal spam、global spam。
老师在此处一度讲错（误以为第三行会打印 global spam），当场更正：do_global 改了全局变量，但 scope_test 里 print 时按搜索顺序找到的仍是自己作用域的 spam，因为没有对它做任何改变。这也说明该知识点确实容易绕。

特例：`=` 赋值 vs `+=` 追加（参数为列表时）(约 24:20 - 38:10)¶

"考试题"式互动例子：

情形一：demo(L) 内执行 L = [1, 2, 3]，外面 L = [3, 4, 5]，调用后打印 L —— 输出 [3, 4, 5]。原因：= 在函数局部命名空间**新定义了一个名字叫 L**，让它指向新列表对象 [1, 2, 3]，与传进来的参数指向脱钩，外面的列表不受影响。
情形二：只加一个加号，L += [1, 2, 3] —— 输出 [3, 4, 5, 1, 2, 3]。
原理：L = [...] 是"创建新名字 + 指向新对象"；而 L += [...] 没有定义任何新的局部名称，它相当于调用列表对象自身的方法（等价于 L.extend([1,2,3])，也即连续 append）。按搜索顺序，函数内没有局部 L，就找到参数传进来的 L（指向外面的 [3,4,5]），于是在**原对象上就地追加**了 1、2、3，外面的 L 随之改变。
为什么是 345 在前：+= 是在后面追加（类比字符串 a += "123"; a += "456" 得到 123456）。
把 += 改写成 L.extend([1,2,3]) 后对照搜索逻辑就更容易理解：函数内没有局部变量 L，自然访问到参数（外部）的 L。
关键结论：L = X 和 L += X 看似只差一个加号，实质区别是**是否在局部作用域产生了新名字**；+= 写法很有迷惑性，对列表这类可变对象尤其要注意。
结尾提醒：真实项目中别人写代码一般会尽量清楚、可读，不太会遇到这么绕的情况，但遇到了要有这个意识。

示例与演示¶

基础演示：函数内 test = 1、模块级 test = 2，调用函数后打印 test 得 2；加 global test 后函数内赋值，外面打印变为 1。
嵌套作用域推演：PPT 第 9 页 scope_test / do_local / do_nonlocal / do_global 示例，老师在屏幕上用不同颜色画出各作用域的 spam 并连线对应关系，预测四行输出后运行验证。
互动"考试题"：demo(L) 中 L = [1,2,3] vs L += [1,2,3]，让学生猜输出（345 还是 123、还是"468"），现场运行验证并解释；用 L.extend(...) 改写加深理解。

重点与难点¶

名称搜索顺序：最内层作用域 → 外层（nonlocal，最近的非局部定义）→ 模块级（global）。看代码时要能在脑中"连连看"，预判每个 spam/test 指向哪一层的哪个名字。
global 只到模块（文件）为止，不会跨文件；nonlocal 找的是"非局部且最近"的那一层。
内部函数用 = 赋值会在**自己的局部作用域新建名字**，屏蔽外层同名变量，不影响外层——这是最常见的误区。
**= 与 += 的本质区别**（本课最大难点）：=定义新名字并指向新对象；+=是调用对象自身方法就地修改（等价extend/多次append`），不产生新局部名字，因而会改动传进来的外部可变对象（列表）。老师自己也在这里讲错过一次，足见其易错。
nonlocal / global 声明后，函数内对该名字的赋值都作用于声明所指的那一层。

关联内容¶

前置知识：函数定义与调用、参数传递、列表及其方法（append、extend）、模块的概念（一个 .py 文件就是一个模块，文件/目录相关章节）。
与本章其他课的关系：承接 11.1（函数进阶），为 11.3（类）铺垫——类的方法中大量涉及 self、属性与作用域问题，先搞清作用域再学面向对象。
与后续的关系：理解可变对象（列表）在函数调用中的就地修改行为，对后面实验课阅读第三方库代码、避免隐蔽 bug 很重要。
与 C 语言课程的对比：头文件/全局变量机制 vs Python 的模块作用域机制。