【51CTO独家特稿】我们在上一篇文章即“循序渐进学Python之函数入门”中介绍了函数的定义和调用方法，那里定义的函数都是相互平行的，也就是说，所有函数都是在其它函数之外定义的。而本文介绍的是函数的嵌套：即函数内部的函数。我们这里首先介绍了嵌套函数的定义，以及嵌套函数中变量的查找过程，然后后讲解多层嵌套函数的执行过程，最后说明了嵌套作用域的静态性。

一、函数的嵌套定义

学习过C语言的读者都知道，C语言的函数定义都是相互独立的，也就是说，在定义函数的时候，不能在这个函数内部包含其它函数的定义。但是Python语言正好与之相反，它允许在定义函数的时候，其函数体内又包含另外一个函数的完整定义，这就是我们通常所说的嵌套定义。为什么？因为函数是用def语句定义的，凡是其他语句可以出现的地方，def语句同样可以出现。像这样定义在其他函数内的函数叫做内部函数，内部函数所在的函数叫做外部函数。当然，我们可以多层嵌套，这样的话，除了最外层和最内层的函数之外，其它函数既是外部函数又是内部函数。

下面是一个内部函数的例子：

上面的定义在交互方式下的运行情况如下所示：

图1  函数的嵌套定义

二、嵌套函数的作用域

内部函数定义的变量只在内部有效，包括其嵌套的内部函数，但是对外部函数无效，如下例所示：

对于上面的代码，我们定义了三个函数，其中函数f（）是函数f1（）的外部函数，而函数f1（）又是函数f2（）的外部函数。在这三个函数中我们仅定义了一个变量x，并且该变量是在函数f1（）中定义的，然后我们分别在函数f1（）和它的内部函数f2（）中打印该变量的值。在交互式环境下的执行情况如下所示：

 图2  内部函数可以使用外部函数的变量

上图说明内部函数可以引用外部函数中定义的变量，但是外部函数却不能引用内部函数定义的变量，例如：

在上面的示例代码中，我们在外部函数f（）中定义了一个变量x，然后又在内部函数f1（）中定义了一个变量y；然后分别在内部函数和外部函数中引用这两个变量，代码的交互式执行情况如下所示：

图3  外部函数不可以使用内部函数的变量

很明显，程序在引用内部变量的时候出错了，因为内部函数定义的变量只对这个函数本身及其内部函数可见，而不对其外部函数可见，所以在外部函数f（）看来，变量y尚未定义。

三、变量的四种作用域

介绍了嵌套的内部函数之后，我们已经接触到了Python中变量的四种作用域，它们分别是局部作用域、全局作用域、外部作用域和Python内建的作用域。其中，局部作用域对应于函数本身，外部作用域对应于外部函数（如果有的话），全局作用域对应于模块（或文件），Python内建的作用域对应于Python解释程序。这四种作用域的包含关系如下所示：

图4  变量的四种作用域

四、Python内建的作用域

通过阅读本系列的文章，相信读者对于局部作用域、全局作用域和外部作用域已经有所了解了，现在我们再来介绍一下有效范围最大，即对应于Python解释程序范围的Python内建的作用域。

实际上，Python解释程序有一个预建的，或者叫自带的模块，叫做__builtin__。我们可以在Python解释程序中导入该模块，并查看其中预定义的名称。如下图所示：

图5  查看__builtin__模块中预定义的名称

上图为我们展示了Python内建的作用域中已定义的所有名称，其中大部分一些是变量名，一些是函数名。如果有兴趣的话，可以直接在提示符下输入这些名称，来引用它们，如：

图6  引用内建的函数名

当我们在提示符下面输入上面列出的函数名时，系统提示这些是内建的函数名。

五、变量名的查找顺序

上面说过，Python中的变量有四种作用域，那么当函数引用一个变量时，它是以怎样的顺序在这些作用域中查找变量呢？下面我们将详细说明。

当某个函数引用一个变量时，比如变量x，它首先在该函数的局部作用域中查找该变量，如果在局部作用域中有对该变量的赋值语句，并且没有用关键词global，即没有将其声明为全局变量，如下所示：

x = 6

这相当于在该函数内部定义了一个局部变量，那么这个名为x值为6的整型变量就是我们要找的。如果在当前函数的局部作用域中没有找到该变量的定义，并且当前函数是某个函数的内部函数的话，那么继续由内向外在所有外部函数中查找该变量的定义，并且将最先找到的赋值语句作为它的定义，并将第一个赋给它的值作为我们要找的变量的值。如果在所有外部函数中都没有找到该变量的定义，或者根本就没有外部函数，那么继续在全局作用域中查找。如果在全局作用域中还没有找到x的定义，那么就到Python内建的作用域去找，如果四个作用域都没找到的话，则说明引用了一个未加定义的变量，这时Python解释器就会报错。

读者可以对照图4进行理解。

下面我们以示例代码进行讲解，代码如下所示：

上述代码中出现了多层嵌套的函数，其中函数f3（）嵌套在函数f2（）中，函数f2（）嵌套在函数f1（）中，函数f1（）嵌套在函数f（）中。但是，每个函数中都对变量x进行了定义，所以各个函数都能在其局部定义域中找到变量x。上述代码在交互式环境下的执行结果如下所示：

图7  在局部作用域中找到变量x的情形

在函数f（）中，变量x被赋值为0，根据查找变量时先从当前函数的局部作用域下手的规则，函数f（）看到的变量x的值就是0，其它函数依此类推。

现在我们对上述代码稍作修改，将函数f3（）和函数f2（）中对变量x的定义去掉，看一下在当前函数中找不到变量的定义时的情形，代码如下所示：

上述修改后的代码在交互环境下执行情况如下所示：

图8   在局部作用域中找不到变量x的情形

从图8可以看出，在函数f3（）、f2（）、f1（）中，变量的值都为1；只有在f0（）中变量的值为0。对于函数f3（）来说，当它打印变量x的值时，首先在其局部作用域中寻找变量x的定义，因为没有找到，所以继续向外到其外部函数f2（）中寻找，结果在函数f2（）的局部变量中也没有找到变量x的定义，所以又向函数f2（）的外部函数即函数f1（）中寻找，这次找到了变量x的定义，即

所以函数f3（）打印的变量x的值为1。当函数f2（）执行时，首先在其局部作用域中寻找变量x的定义，没找到，所以继续向外部函数f1（）中寻找，这次找到了变量x的定义，即

所以函数f2（）打印的变量x的值为1。当函数f1（）执行时，首先在其局部作用域中寻找变量x的定义，在其局部作用域中找到了变量x的定义，其值为1，所以直接打印变量x的值。同理，当函数f（）执行时，首先在其局部作用域中寻找变量x的定义，在其局部作用域中找到了变量x的定义，其值为0，所以直接打印变量x的值。

需要注意的是，如果内部函数将变量声明为全局变量，那么Python就会跳过局部作用域和外部作用域，而直接从全局作用域开始寻找该变量的定义。现在举例说明：

上面的代码以交互式执行，结果如下所示：

 图9  在内部函数中使用全局变量的情形

从图10可以看出，当函数f1（）执行后，其外部函数f（）的局部变量并没有发生变化，但是全局变量x的值却变了。这是因为，当在内部函数f1（）中将变量x声明为全局变量后，赋值语句

的作用并不是在当前函数中定义一个局部变量，因为这时函数f1（）会直接到全局作用域中查找变量，所以赋值语句实际的作用是修改了全局变量x的值。

六、函数嵌套时的执行顺序

当初学者遇到多层嵌套的函数时，对于各个函数的执行顺序经常感到非常头疼，不过不要紧，我们这里向大家介绍一种非常简单的办法，让您轻松读懂代码的执行顺序。

我们曾经说过，在使用def语句定义函数时，Python遇到该语句并不会立即执行其语句体中的代码，只有遇到该函数的调用时，对应def语句的语句体才会被执行。所以，当我们分析嵌套函数的执行顺序时，遇到def语句可以先行跳过（包括其语句体），然后遇到函数调用时，在返回头来查看对应def语句的语句体。我们以下列代码进行说明：

上述代码在交互式环境下的执行情况如下所示：

图10  多层嵌套函数执行顺序示例1

现在分析一下上述代码的执行过程。首先，当我们在命令提示符下调用函数f（）时，解释器会寻找到该函数的定义。在函数f（）的定义的第一行下面，虽然这里的代码很多，但是我们只关心冒号下面的第一次缩进所涉及的那些语句，在这里有四个语句，一个赋值语句，一个打印语句，一个def语句，一个函数调用语句。注意，这里的def语句及其语句体可以先跳过去。所以，除了def语句外，这四条语句的执行顺序基本上是顺序执行的，即先给变量x赋值，令其为整数0，再输出变量x的值，这时系统将输出：

然后调用f1（），最后找到定义f1（）的def语句，并执行其语句体。我们看到，在定义f1（）的def语句下面的第一次缩进对应有四条语句，分别也是一个赋值语句，一个打印语句，一个def语句，一个函数调用语句。执行时，先赋值，即将变量x赋值为1，再打印，系统输出以下内容：

遇到def语句先跳过，继而执行函数调用，这次调用的是函数f2（）。我们找到定义该函数的def语句，并执行该语句第一行下面第一次缩进对应的四条语句。首先将变量x赋值为2，再打印，系统输出以下内容：

接着，先跳过def语句，直接执行函数调用，这次调用的是函数f3（）。我们找到定义该函数的def语句，并执行其第一行下面第一次缩进对应的两条语句。首先将变量x赋值为3，再打印变量的值，如下所示：

好了，至此这个多层嵌套的函数的执行过程至此分析完毕。作为一个练习，读者可以按照上面介绍的方法分析一下下列代码，然后在交互环境中执行一下，看看分析的对不对：

七、嵌套作用域的静态性

前面说过，函数内定义的变量局部只有在函数执行时有效，当函数退出后就不能再访问了，例如下列代码：

当我们在交互方式下执行上述代码时，结果如下：

图11  局部变量的动态性

当我们在函数中引用局部变量时，完全合法。但是，一旦函数退出，再次引用函数内的局部变量就会出错。这是因为局部变量是动态分配的，当函数执行时为其分配临时内存，函数执行后马上释放。这反映出局部变量的动态性。但是当出现函数嵌套时，情况会有所变化。请看下列代码：

我们在交互环境下执行上述代码，如：

图12  嵌套作用域的动态性

我们说明一下上面的代码。首先，我们在函数f（）中定义了一个局部变量x和一个内部函数f1（），最后将内部函数名作为返回值。注意，我们在内部函数f1（）中引用了外部函数f（）的局部变量。我们在命令提示符下调用函数f（），并将返回值赋给printx，这时变量printx中实际上存放的是内部函数f1（）的函数名f1。所以在命令行中输入printx（）实际上就是在调用内部函数f1（）。然后内部函数执行，并引用外部函数f（）的局部变量x。这说明，发生函数嵌套后，如果内部函数引用了外部函数的局部变量，那么外部函数的局部变量将被静态存储，即当函数退出后，其局部变量所占内存也不会被释放。

八、小结

在本文中，我们为读者介绍了函数的嵌套。除了嵌套函数的定义外，我们详细解释了嵌套函数中变量的查找过程以及相关的四种作用域，然后后讲解多层嵌套函数的执行过程，最后说明了嵌套作用域的静态性。为了帮助读者理解本文内容，我们给出了大量示例代码，读者可以利用这些代码实际运行、分析，从而加深理解。

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