變數的作用域

10.1 函數的區域變數

在 Python 中，從變數創建的那一刻起到其作用域的結束（通常是宣告它的函數），變數是可以被訪問的。如果變數是在所有函數之外宣告的，那麼它被稱為全域變數。

在 Python 中，變數的作用域定義了變數可以使用的上下文。作用域幫助避免名稱衝突並管理數據訪問。Python 中的主要作用域類型包括：

區域作用域：在函數內創建的變數存在於該函數的區域作用域中，只能在該函數內部訪問。

嵌套函數的作用域：如果函數是在另一個函數內定義的，其變數僅在該嵌套函數內部可用。

全域作用域：在腳本或模組級別上定義的變數被視為全域的，可以從同一模組的任何部分訪問。

內建作用域：這是一個特殊的作用域，包含所有預設可用的 Python 內建對象和函數（例如，print() 和 len()）。

LEGB 規則

為了解決變數，Python 使用 LEGB 規則，這個規則確定解釋器尋找變數的順序：

• L (Local) — 首先在區域作用域中尋找。
• E (Enclosed) — 然後在所有嵌套函數的作用域中尋找，從最近的到外部的。
• G (Global) — 接著在全域作用域中尋找。
• B (Built-in) — 最後在內建作用域中尋找。

使用範例

x = "global"  # 全域變數

def outer():
    y = "outer local"  # 外層函數的區域變數
    def inner():
        z = "inner local"  # 嵌套函數的區域變數
        print(x)  # 輸出 "global"
        print(y)  # 輸出 "outer local"
        print(z)  # 輸出 "inner local"
    inner()

outer()

變數 z 只能在函數 inner() 內部訪問。

變數 y 可以在函數 outer() 和其內部宣告的所有函數中訪問。

變數 x 可在當前文件（模組）中的任何地方訪問。

10.2 存取全域變數: global x

Python 語言的一個有趣特性是，來自外部作用域的變數（嵌套當前作用域）只能被讀取。

當嘗試對外部變數進行賦值時，會創建一個同名的區域變數，從而失去對外部變數的訪問。

例子：

x = 10

def change_global():
    print(x)  # 這將引發錯誤，因為 x 在賦值後將被視為區域變數
    x = 20  # 這裡會創建區域變數 x
    print(x)  # 輸出 20（存取的是區域變數 x）
        
change_global()
print(x)  # 輸出 10

這個例子無法運作並會引發 UnboundLocalError 錯誤，因為 Python 直譯器首先看到的賦值 x = 20，認為 x 為區域變數。然而，當直譯器走到 print(x) 時，找不到區域變數 x，因為它尚未定義。

這是為了安全起見，以防區域變數意外更改全域變數。

global 運算符

如果你需要在函數內有意識地更改全域變數的值，可以使用 global 運算符。這個運算符允許明確地將更改作用於全域變數，而不是區域變數。

要在函數內更改全域變數的值，必須在函數開頭使用 global 宣告該變數。這讓函數可以寫入變數：

x = 10

def change_global():
    global x  # 宣告 x 為全域變數
    print(x)  # 輸出 10（存取的是全域變數 x）
    x = 20  # 這裡給全域變數 x 賦予新值
    print(x)  # 輸出 20（存取的是全域變數 x）

change_global()
print(x)  # 輸出 20

使用 global 運算符允許避免錯誤並正確管理全域變數。

全域變數可能會使程式變得不太可預測，且更難理解，因為它們的值可以在程式的任何地方被更改。當程式很大並由一組程式員開發時，這特別關鍵。

雖然有時使用全域變數不可避免，但最好盡量減少其使用。替代全域變數，考慮使用函數參數、返回值和類來儲存狀態。

使用全域變數可能導致意外的副作用，增加除錯和測試代碼的難度，也降低其重用性。因此建議謹慎使用全域變數，並僅在確實需要時使用。

10.3 存取非區域變數: nonlocal

除了全域和區域變數，Python 中還存在中間作用域的變數。例如，當函數嵌套在另一個函數中時。對於這類變數，可以使用 nonlocal 運算符。

nonlocal 運算符允許在嵌套函數中更改最近的作用域中的變數值，排除全域變數。

nonlocal 運算符幫助避免在嵌套函數中創建新的區域變數，當需要更改外部函數中定義的變數時。若不使用 nonlocal，變更僅影響內部函數的區域變數，而不會影響外部函數的變數。

例子：

def outer():
    count = 0

    def inner():
        nonlocal count
        count += 1
        return count

    return inner

counter = outer()
print(counter())  # 輸出 1

下面是一個更實用的 nonlocal 使用範例，用於創建計數器：

def create_counter():
    count = 0
    
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    
    return increment

counter = create_counter()
print(counter())  # 輸出 1
print(counter())  # 輸出 2
print(counter())  # 輸出 3

該例展示了如何在實際場景中使用 nonlocal 來創建一個在調用之間保持狀態的函數。