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Python 是一門強大的動態語言，那動態體現在哪裡，強大又體現在哪裡呢？除了好的方面，Python 的動態性是否還藏著一些使用陷阱呢，有沒有辦法識別與避免呢？

沿著它的動態特性話題，貓哥有幾篇文章依次探及了：動態修改變數、動態定義函式、動態執行程式碼等內容，然而，當混合了變數賦值、動態賦值、名稱空間、作用域、函式的編譯原理等等內容時，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，更深入地探索 Python 語言的奧祕。

（1）疑惑重重的例子

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() 函式的程式碼塊中定義了變數 y，這個值可以被隨後的 locals() 取到，在賦值後也列印了出來。然而，在這個例子的基礎上，只需做出小小的改變，結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的 key 。為什麼會這樣呢，新賦值的變數是 y 或者 z，為什麼對結果有這麼不同的影響？

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，跟動態地在 exec() 中賦值，會對 locals() 取值產生怎樣的影響？

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，難道沒有用麼？也不是，如果把賦值的順序調前，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() 的值並不是固定的，它的值與呼叫時的上下文相關，呼叫 locals() 的時機至關重要。

然而，如果想要驗證一下，在函式中增加一個 locals() 的列印，這個動作卻會影響到最終的執行結果。

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

foo()

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

這到底是怎麼回事呢？

（2）多元知識的儲備

以上例子在細微之處有較大的不同，主要由於以下知識點的影響：

1、變數的宣告與賦值

2、locals() 取值與修改的邏輯

3、locals() 字典與區域性名稱空間的關係

4、函式的編譯，抽象語法樹的解析

注意：exec() 函式有兩個預設的引數 globals() 與 locals() （與內建函式同名），起的是限定字串引數中變數的作用，若添加出來，只會增加以上例子的複雜度，因此，我們都做預設處理，這裡討論的是 exec() 只有一個引數的情況。

在某些程式語言中，變數的宣告與賦值是可以分開的，例如在宣告時寫 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。首先它不用指定變數的型別，任何時候都不需要（也不能）在變數前加型別（如 int），其次，宣告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 是初次宣告的，還是已被宣告過的。

關於 locals() 的建立過程，在《Python 動態賦值的陷阱》文中有所分析，locals() 字典是區域性名稱空間的代理，它會採集區域性作用域的變數，程式碼執行期若動態修改區域性變數，只會影響該字典，並不會影響真正的區域性作用域的變數。因此，當再次呼叫 locals() 時，由於重新採集，則動態修改的內容會被丟棄。

執行期的區域性名稱空間不可改變，這意味著 exec() 函式中的變數賦值不會對它產生影響，但 locals() 字典是可變的，會受到 exec() 函式的影響。

而關於函式的編譯，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合法的變數名，在執行時再與內容繫結。作用域內變數的解析跟它的執行順序無關，更與是否會被執行無關。

（3）薛定諤的貓

以上內容是前提，友情提示，如你有理解模糊之處，請先閱讀對應的文章。接下來則是基於這些內容而作的分析。

我不敢保證每個細節都準確無誤，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，區域性作用域內雖然沒有 ‘y’，但 exec() 函式動態建立了它，因此動態地寫入了 locals() 字典中，所以能查詢到而不報錯。

例 1 中，exec() 不影響區域性作用域，即此時 y 未在區域性作用域內做過宣告與賦值，接下來的一句才是第一次在區域性作用域中對 y 作宣告與賦值 ！

y = locals()['y'] ，等號左側在做宣告，只要等號右側的結果成立，整個宣告與賦值的過程就成立。右側需在 locals() 字典中查詢 y 對應的值。

在建立 locals() 字典時，由於區域性作用域內有變數 y 的宣告，因此我們首先在其中採集到了 y，而不必在 exec() 函式的動態結果中查詢。這就有了字典的一個 key，接著要匹配這個 key 對應的值，也即 y 所繫結的值。

但是，剛才說了這是 y 的第一次賦值，並未完成呢，因此 y 並無有效的繫結值。

矛盾出現了，這裡有點繞，我們理一下：左側的 y 等著完成賦值，因此需要右側的執行結果；而右側的字典需要使用到 y 的值，因此就依賴著左側的 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，這是個無法破的死局。

可以說，y 的值是一團混沌，它必然等於 “locals()['y']” ，然而只有解開這團程式碼才能確切得到結果——只有開啟籠子才知道結果，你是否想到了薛定諤的那隻貓呢？

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，區域性名稱空間中已經存在著有效的 y 等於 2，因此 locals() 查詢到它而用於賦值，所以不報錯。

至於例 4，它跟例 3 只差了一個執行順序，為什麼不會報錯呢？還有更奇怪的，在例 4 上再加一個列印（例5），理應不會影響結果，可事實卻是又報錯了，為什麼？

例 4 中，boc = locals() 這句同樣存在迴圈引用的問題，因此執行後的字典中沒有 y，接著 exec() 這句動態地修改了 locals()，執行後 boc 的結果是 {'y' : 2}，因此再下一句的 boc['y'] 能查詢到結果，而不報錯。

例 4 與例 3 的 ”y = boc['y']“ ，雖然都是第一次在區域性作用域中宣告與賦值 y，但例 4 的 boc 已被 exec() 修改過，因此它能取到實實在在的值，就不再有迴圈引用的問題了。

接著看例 5，第一個 locals() 還是存在迴圈引用現象，接著 exec() 往字典中寫入變數 y，但是，第二個 locals() 又觸發了新的建立字典過程，會把 exec() 的執行結果覆蓋，因此進入第二輪迴圈引用，導致報錯。

例 5 與例 4 的不同在於，它是根據區域性作用域重新生成的字典，其效果等同於例 3。

另外，請特別注意列印的結果：{'boc': {…}} 。

這個結果說明，第二個 locals() 是一個字典，而且它只有唯一的 key 是 ’boc‘，而 ’boc‘ 對映的是第一個 locals() 字典，也即是 {...} 。這個寫法表示它內部出現了迴圈引用，直觀地證實了前面的所有分析。

字典內部出現迴圈引用 ，這個現象極其罕見！前面雖然做了分析，但看到這裡的時候，不知道你是否覺得不可思議？

之所以第一次的迴圈引用能被記錄下來，原因在於我們沒有試圖去取出 ’y‘ 的值，而第二個迴圈引用則由於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，開啟籠子，這隻貓就會死亡。

字典的迴圈引用現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容：當看到 a = 1 時，你無法確定 a 是初次宣告的，還是已被宣告過的。

在《Python與家國天下》文中，貓哥分析了兩類經典的報錯：name 'x' is not defined、local variable 'x' referenced before assignment。它們通常也是由於宣告與賦值不分，而導致的失察。

本文中的 KeyError 實際上就是 “local variable 'y' referenced before assignment”，y 已 defined 而未 assigned，導致 reference 時報錯。

已賦值還是未賦值，這是個問題。也是一隻貓。

最後，儘管這隻貓在暗中搗了大亂，我們還是要感謝它：感謝它串聯了其它知識被我們“一鍋端”，感謝它為這篇抽象燒腦的文章撓出了幾分活潑生動的趣味……（以及，感謝它帶來的標題靈感，不知道有多少人是衝著標題而閱讀的？）

後記

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。在與群內小夥伴們陸續討論了一整個下午後，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，群內偶爾討論過幾次相關的知識點，感謝好幾位同學（特別@櫻雨樓）的討論，我終於覺得時機到了（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，而且關鍵細節無遺漏的，但仍可能有瑕疵，如果你有什麼想交流的，歡迎給我留言。

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