Python locals() 的陷阱

转载自https://segmentfault.com/a/1190000012724861

在工作中, 有时候会遇到一种情况: 动态地进行变量赋值, 不管是局部变量还是全局变量, 在我们绞尽脑汁的时候, Python已经为我们解决了这个问题.

Python的命名空间通过一种字典的形式来体现, 而具体到函数也就是locals() 和 globals(), 分别对应着局部命名空间和全局命名空间. 于是, 我们也就能通过这些方法去实现我们"动态赋值"的需求.

例如:

def test():
    globals()['a2'] = 4
test()
print a2   # 输出 4

很自然, 既然 globals能改变全局命名空间, 那理所当然locals应该也能修改局部命名空间.修改函数内的局部变量.

但事实真是如此吗? 不是!

def aaaa():
    print locals()
    for i in ['a', 'b', 'c']:
        locals()[i] = 1
    print locals()
    print a
aaaa()

输出:

{}
{'i': 'c', 'a': 1, 'c': 1, 'b': 1}
Traceback (most recent call last):
  File "5.py", line 17, in <module>
    aaaa()
  File "5.py", line 16, in aaaa
    print a
NameError: global name 'a' is not defined

程序运行报错了!

但是在第二次print locals()很清楚能够看到, 局部空间是已经有那些变量了, 其中也有变量a并且值也为1, 但是为什么到了print a却报出NameError异常?

再看一个例子:

def aaaa():
    print locals()
    s = 'test'                    # 加入显示赋值 s
    for i in ['a', 'b', 'c']:
        locals()[i] = 1
    print locals()
    print s                       # 打印局部变量 s
    print a
aaaa()

输出:

{}
{'i': 'c', 'a': 1, 's': 'test', 'b': 1, 'c': 1}
test
Traceback (most recent call last):
  File "5.py", line 19, in <module>
    aaaa()
  File "5.py", line 18, in aaaa
    print a
NameError: global name 'a' is not defined

上下两段代码, 区别就是, 下面的有显示赋值的代码, 虽然也是同样触发了NameError异常, 但是局部变量s的值被打印了出来.

这就让我们觉得很纳闷, 难道通过locals()改变局部变量, 和直接赋值有不同? 想解决这个问题, 只能去看程序运行的真相了, 又得上大杀器dis~

根源探讨

直接对第二段代码解析:

13           0 LOAD_GLOBAL              0 (locals)
              3 CALL_FUNCTION            0
              6 PRINT_ITEM
              7 PRINT_NEWLINE

 14           8 LOAD_CONST               1 ('test')
             11 STORE_FAST               0 (s)

 15          14 SETUP_LOOP              36 (to 53)
             17 LOAD_CONST               2 ('a')
             20 LOAD_CONST               3 ('b')
             23 LOAD_CONST               4 ('c')
             26 BUILD_LIST               3
             29 GET_ITER
        >>   30 FOR_ITER                19 (to 52)
             33 STORE_FAST               1 (i)

 16          36 LOAD_CONST               5 (1)
             39 LOAD_GLOBAL              0 (locals)
             42 CALL_FUNCTION            0
             45 LOAD_FAST                1 (i)
             48 STORE_SUBSCR
             49 JUMP_ABSOLUTE           30
        >>   52 POP_BLOCK

 17     >>   53 LOAD_GLOBAL              0 (locals)
             56 CALL_FUNCTION            0
             59 PRINT_ITEM
             60 PRINT_NEWLINE

 18          61 LOAD_FAST                0 (s)
             64 PRINT_ITEM
             65 PRINT_NEWLINE

 19          66 LOAD_GLOBAL              1 (a)
             69 PRINT_ITEM
             70 PRINT_NEWLINE
             71 LOAD_CONST               0 (None)
             74 RETURN_VALUE
None

在上面的字节码可以看到:

1. locals() 对应的字节码是: LOAD_GLOBAL
2. s='test' 对应的字节码是: LOAD_CONST 和 STORE_FAST
3. print s 对应的字节码是: LOAD_FAST
4. print a 对应的字节码是: LOAD_GLOBAL

从上面罗列出来的几个关键语句的字节码可以看出, 直接赋值/读取 和 通过locals()赋值/读取 本质是很大不同的. 那么触发NameError异常, 是否证明通过 locals()[i] = 1 存储的值, 和真正的局部命名空间 是不同的两个位置?

想要回答这个问题, 我们得先确定一个东西, 就是真正的局部命名空间如何获取? 其实这个问题, 在上面的字节码上, 已经给出了标准答案了!

真正的局部命名空间, 其实是存在 STORE_FAST 这个对应的数据结构里面. 这个是什么鬼, 这个需要源码来解答:

// ceval.c  从上往下, 依次是相应函数或者变量的定义
// 指令源码
TARGET(STORE_FAST)
{
    v = POP();
    SETLOCAL(oparg, v);
    FAST_DISPATCH();
}
--------------------
// SETLOCAL 宏定义
#define SETLOCAL(i, value)      do { PyObject *tmp = GETLOCAL(i); \
                                     GETLOCAL(i) = value; \
                                     Py_XDECREF(tmp); } while (0)
--------------------
// GETLOCAL 宏定义
#define GETLOCAL(i)     (fastlocals[i])     

--------------------
// fastlocals 真面目
PyObject * PyEval_EvalFrameEx(PyFrameObject *f, int throwflag){
    // 省略其他无关代码
   fastlocals = f->f_localsplus;
....
}
                            

看到这里, 应该就能明确了, 函数内部的局部命名空间, 实际是就是帧对象的f的成员f_localsplus, 这是一个数组, 了解函数创建的童鞋可能会比较清楚, 在CALL_FUNCTION时, 会对这个数组进行初始化, 将形参赋值什么都会按序塞进去, 在字节码 18 61 LOAD_FAST 0 (s)中, 第四列的0, 就是将f_localsplus第 0 个成员取出来, 也就是值 "s".

所以STORE_FAST才是真正的将变量存入局部命名空间, 那locals()又是什么鬼? 为什么看起来就跟真的一样?

这个就需要分析locals, 对于这个, 字节码可能起不了作用, 直接去看内置函数如何定义的吧:

// bltinmodule.c
static PyMethodDef builtin_methods[] = {
    ...
    // 找到 locals 函数对应的内置函数是 builtin_locals
    {"locals",          (PyCFunction)builtin_locals,     METH_NOARGS, locals_doc},
    ...
}

-----------------------------

// builtin_locals 的定义
static PyObject *
builtin_locals(PyObject *self)
{
    PyObject *d;

    d = PyEval_GetLocals();
    Py_XINCREF(d);
    return d;
}
-----------------------------

PyObject *
PyEval_GetLocals(void)
{
    PyFrameObject *current_frame = PyEval_GetFrame();  // 获取当前堆栈对象
    if (current_frame == NULL)
        return NULL;
    PyFrame_FastToLocals(current_frame); // 初始化和填充 f_locals
    return current_frame->f_locals;
}
-----------------------------

// 初始化和填充 f_locals 的具体实现
void
PyFrame_FastToLocals(PyFrameObject *f)
{
    /* Merge fast locals into f->f_locals */
    PyObject *locals, *map;
    PyObject **fast;
    PyObject *error_type, *error_value, *error_traceback;
    PyCodeObject *co;
    Py_ssize_t j;
    int ncells, nfreevars;
    if (f == NULL)
        return;
    locals = f->f_locals;

    // 如果locals为空, 就新建一个字典对象
    if (locals == NULL) {
        locals = f->f_locals = PyDict_New();
        if (locals == NULL) {
            PyErr_Clear(); /* Can't report it :-( */
            return;
        }
    }

    co = f->f_code;
    map = co->co_varnames;
    if (!PyTuple_Check(map))
        return;
    PyErr_Fetch(&error_type, &error_value, &error_traceback);
    fast = f->f_localsplus;
    j = PyTuple_GET_SIZE(map);
    if (j > co->co_nlocals)
        j = co->co_nlocals;

    // 将 f_localsplus 写入 locals
    if (co->co_nlocals)
        map_to_dict(map, j, locals, fast, 0);
    ncells = PyTuple_GET_SIZE(co->co_cellvars);
    nfreevars = PyTuple_GET_SIZE(co->co_freevars);
    if (ncells || nfreevars) {
        // 将 co_cellvars 写入 locals
        map_to_dict(co->co_cellvars, ncells,
                    locals, fast + co->co_nlocals, 1);

        if (co->co_flags & CO_OPTIMIZED) {
            // 将 co_freevars 写入 locals
            map_to_dict(co->co_freevars, nfreevars,
                        locals, fast + co->co_nlocals + ncells, 1);
        }
    }
    PyErr_Restore(error_type, error_value, error_traceback);
}

从上面PyFrame_FastToLocals已经看出来, locals() 实际上做了下面几件事:

1. 判断帧对象 的 f_f->f_locals 是否为空, 若是, 则新建一个字典对象.
2. 分别将 localsplus, co_cellvars 和 co_freevars 写入 f_f->f_locals.

在这简单介绍下上面几个分别是什么鬼:

1. localsplus: 函数参数(位置参数+关键字参数), 显示赋值的变量.
2. co_cellvars 和 co_freevars: 闭包函数会用到的局部变量.

结论

通过上面的源码, 我们已经很明确知道locals() 看到的, 的确是函数的局部命名空间的内容, 但是它本身不能代表局部命名空间, 这就好像一个代理, 它收集了A, B, C的东西, 展示给我看, 但是我却不能简单的通过改变这个代理, 来改变A, B, C真正拥有的东西!

这也就是为什么, 当我们通过locals()[i] = 1的方式去动态赋值时, print a却触发了NameError异常, 而相反的, globals()确实真正的全局命名空间, 所以一般会说

locals() 只读, globals() 可读可写

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