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，請先閱讀對應(yīng)的文章。這個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，這只貓就會死亡。

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Python 是一門強大的動態(tài)語言，那動態(tài)體現(xiàn)在哪里，強大又體現(xiàn)在哪里呢？除了好的方面，Python 的動態(tài)性是否還藏著一些使用陷阱呢，有沒有辦法識別與避免呢？

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

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

先看看這一個例子：

# 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，這個值可以被隨后的 locals() 取到，在賦值后也打印了出來。然而，在這個例子的基礎(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()

# 報錯：KeyError: "y"

把前例的 z 改為 y ，就報錯了。其中，KeyError 指的是在字典中不存在對應(yīng)的 key 。為什么會這樣呢，新賦值的變量是 y 或者 z，為什么對結(jié)果有這么不同的影響？

試試把 exec 去掉，不報錯！

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

foo()

# 2

問題：直接對 y 賦值，跟動態(tài)地在 exec() 中賦值，會對 locals() 取值產(chǎn)生怎樣的影響？

再試試對例 1 的 locals() 先賦值，還是報錯：

# 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，就不報錯了：

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

foo()

# 2

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

然而，如果想要驗證一下，在函數(shù)中增加一個 locals() 的打印，這個動作卻會影響到最終的執(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？

以上例子在細微之處有較大的不同，主要由于以下知識點的影響：

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，抽象語法樹的解析

注意：exec() 函數(shù)有兩個缺省的參數(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，只會增加以上例子的復(fù)雜度，因此，我們都做缺省處理，這里討論的是 exec() 只有一個參數(shù)的情況。

在某些編程語言中，變量的聲明與賦值是可以分開的，例如在聲明時寫 int a ，需要賦值時，再寫 a = 1 ，當然也可不拆分，則是 int a = 1 。

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

這雖然是一種便利，但也隱藏了一個不易察覺的陷阱（劃重點）：當看到 a = 1 時，你無法確定 a 是初次聲明的，還是已被聲明過的。

關(guān)于 locals() 的創(chuàng)建過程，在《Python 動態(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，它會采集局部作用域的變量，代碼運行期若動態(tài)修改局部變量，只會影響該字典，并不會影響真正的局部作用域的變量。因此，當再次調(diào)用 locals() 時，由于重新采集，則動態(tài)修改的內(nèi)容會被丟棄。

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

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

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

我不敢保證每個細節(jié)都準確無誤，但這個分析力求達到深入淺出、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)動態(tài)創(chuàng)建了它，因此動態(tài)地寫入了 locals() 字典中，所以能查找到而不報錯。

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

y = locals()["y"] ，等號左側(cè)在做聲明，只要等號右側(cè)的結(jié)果成立，整個聲明與賦值的過程就成立。右側(cè)需在 locals() 字典中查找 y 對應(yīng)的值。

在創(chuàng)建 locals() 字典時，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)的動態(tài)結(jié)果中查找。這就有了字典的一個 key，接著要匹配這個 key 對應(yīng)的值，也即 y 所綁定的值。

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

矛盾出現(xiàn)了，這里有點繞，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方先完成，這是個無法破解的死局。

可以說，y 的值是一團混沌，它必然等于 “l(fā)ocals()["y"]” ，然而只有解開這團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，空歡喜一場，所以報 KeyError。

例 3 同理，未完成賦值就使用，所以報錯。

例 2 中，y 在二次賦值的過程時，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，所以不報錯。

至于例 4，它跟例 3 只差了一個執(zhí)行順序，為什么不會報錯呢？還有更奇怪的，在例 4 上再加一個打?。ɡ?），理應(yīng)不會影響結(jié)果，可事實卻是又報錯了，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，而不報錯。

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，因此它能取到實實在在的值，就不再有循環(huán)引用的問題了。

接著看例 5，第一個 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 locals() 又觸發(fā)了新的創(chuàng)建字典過程，會把 exec() 的執(zhí)行結(jié)果覆蓋，因此進入第二輪循環(huán)引用，導(dǎo)致報錯。

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?zhí)貏e注意打印的結(jié)果：{"boc": {…}} 。

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

字典內(nèi)部出現(xiàn)循環(huán)引用 ，這個現(xiàn)象極其罕見！前面雖然做了分析，但看到這里的時候，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，原因在于我們沒有試圖去取出 ’y‘ 的值，而第二個循環(huán)引用則由于取值報錯而無法記錄下來。

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

字典的循環(huán)引用現(xiàn)象在幾個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的內(nèi)容：當看到 a = 1 時，你無法確定 a 是初次聲明的，還是已被聲明過的。

在《Python與家國天下》文中，貓哥分析了兩類經(jīng)典的報錯：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 實際上就是 “l(fā)ocal variable "y" referenced before assignment”，y 已 defined 而未 assigned，導(dǎo)致 reference 時報錯。

已賦值還是未賦值，這是個問題。也是一只貓。

最后，盡管這只貓在暗中搗了大亂，我們還是要感謝它：感謝它串聯(lián)了其它知識被我們“一鍋端”，感謝它為這篇抽象燒腦的文章?lián)铣隽藥追只顫娚鷦拥娜の丁ㄒ约?，感謝它帶來的標題靈感，不知道有多少人是沖著標題而閱讀的？）

本文中的幾個例子早在 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。兩個月來，群內(nèi)偶爾討論過幾次相關(guān)的知識點，感謝好幾位同學(xué)（特別@櫻雨樓）的討論，我終于覺得時機到了（其實是稿荒啦），把沉睡近兩個月的草稿翻出來……如今的分析，我自認為是能說得通，而且關(guān)鍵細節(jié)無遺漏的，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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