从Scratch到Python 21 更复杂的程序结构

我们已经学习了模块，也学习了面向对象编程，以及如何使用第三方库，可以编写规模更大、逻辑更复杂一些的程序了。要编写这类程序，我们必须先掌握一些重要概念，分别是包、命名空间与作用域。

一、包

什么是包呢？包实际上就是一个文件夹。现实中我们文件资料太多，不容易分类查找的时候，我们会用不同的文件夹把它们分类整理；使用计算机时产生的文件，我们也会放到不同的文件夹，比如音乐文件、文档文件、视频文件等；对于编程来说，如果我们要实现的代码很多，我们首先会把它分成模块来编写，每个模块就是一个.py文件。那如果模块多起来怎么办呢？最直接的就是建立不同的文件夹，把不同类型的模块放到各自的文件夹中去，这种存储模块的文件夹就是包。 我们来举个例子，现在假如我们要编写一个学校管理程序，里面有教师相关的功能、学生相关的功能、图书相关的功能，每一个都有不同的模块，该怎么组织我们的代码呢？ 我们来建立一个稍微复杂点的项目结构。打开海龟编辑器，点击左上角的项目文件夹按钮：  

  这是一个开关按钮，点一下会显示项目文件夹界面，里面有“打开项目”和“新建项目”两个按钮，再点一下这个界面会隐藏。  

  其实项目也就是海龟编辑器在我们计算机上专门建立的一个文件夹，以前我们写的程序大多是单文件的，或者是并列的模块，用不着项目来组织。现在既然要用到包，我们就点击“新建项目”来建立一个项目：  

  现在海龟编辑器已经为我们在电脑上建立了“我的项目”文件夹（在海龟编辑器自己的工作空间目录），如果你不是第一次建立项目，那就会依次命名为我的项目1、我的项目2……如果你想改项目名称，可以在点击红色区域的最右边那个三个小点按钮，在弹出的菜单中选择“重命名”，重新输入项目名称就可以。我们这里就不修改了。 注意红色框内的按钮，从左向右分别是新建文件、新建文件夹和添加本地文件。我们可以使用这三个按钮向项目中添加必要的代码文件和目录。 首先我可以建立teacher、students、book这三个文件夹，分别用于存储教师管理、学生管理和图书管理的模块：  

  注意在新建目录的时候，要保持鼠标的焦点在项目界面的空白区域，不能选中一个文件夹，否则你建立的文件夹会成为这个选中文件夹的下一级，这就是嵌套关系了，和我们今天的演示不一致。 建立好文件夹，我们就在teacher文件夹中添加mod1.py。注意要先选中teacher文件夹再点击新建文件：  

  这时双击mod_1.py（注意是双击鼠标），就会在右侧打开这个代码文件，我们输入以下代码：

def fun_a():
    print('This is teacher.mod1.fun_a!')

此时界面如下：  

  用同样的方法我们在teacher文件夹中再建立mod2.py，内容为：

def fun_b():
    print('This is teacher.mod2.fun_b!')

 

  这时，teacher就是一个Python包了。我们如果要在主程序，也就是新建项目时海龟编辑器为我们新建的“我的文件.py“中调用这个包中的代码，可以在”我的文件.py“中写入：

from teacher import mod1,mod2
mod1.fun_a()
mod2.fun_b()

这时运行程序，会发现正确调用了包中的代码：  

  这时你可能会想，我能不能像使用绘图的小海龟一样，直接import teacher，然后调用teacher.mod1或者teacher.mod2中的函数呢？可以，不过我们要多做一些工作。 在teacher文件夹下新建一个文件，名字是”init.py“，注意两边是两个英文的下划线，然后在其中写入：

from . import mod1
from . import mod2

然后你就可以修改”我的文件.py“中的代码，直接导入teacher了：

import teacher
teacher.mod1.fun_a()
teacher.mod2.fun_b()

为什么会这样呢？还记得我们学面向对象时创建类的实例时，它会自动调用init()方法吗？同样的，init.py这个文件中的内容会在你导入包的时候自动运行，里面的from . import mod1意思是从当前目录导入mod1模块。这样，init.py就成了teacher包的一个目录，当你导入包的时候，包的每一个模块也被导入了，你可以在主程序中使用它们，非常方便。 如果teacher文件夹下面还有子文件夹，我们同样应该为它们建立init.py作为目录，当你导入teacher时，会通过递归的方式把每一层的模块都导入进来供主程序使用。 到这里，包的知识我们就讲完了，唯一需要注意的就是这个init.py，它是方便我们使用包的一个重要工具。

二、全局变量与局部变量

看下面这段程序：

def test_func(a,b):
    c = a * b
    return c

print(c)

你觉得这段简单的程序有问题吗？如果你没有把握，可以运行一下。会发现程序报错了：  

  错误信息：变量“c”未定义。 这是怎么回事呢？在函数test_func()中，我们明明声明了一个变量c，而且把a*b的值赋值给它。为什么Python认为这个变量还是没有定义呢？ 这个问题是我们以前没有提到的，我们的程序还比较简单的时候一般不会遇到这类问题。但如果程序有了一定的复杂度，你就必须了解变量的作用域。 简单地说，在函数内部定义的变量称为“局部变量”，只能在函数内部使用，函数外部调用就会出错。 那么反过来说，函数外部定义的变量，在函数内部能不能用？我们再来试一个例子：

c = 1000
def test_func(a,b):
    c = a * b
    return c
d = test_func(2,3)
print('d=',d)
print('c=',c)

先不要看分析，你觉得程序输出的变量d和变量c的值相同吗？为什么？ 答案是不同，尽管你看到我们调用test_func(2,3)的时候，将一个变量“c”赋值为2*3，同时这个结果也返回给了d，但程序的输出是这样的：  

  奇怪吗？我在函数内部给变量“c”重新赋值了，为什么它还是等于1000？这是因为，变量“c”是在函数外部定义的，它是一个“全局变量”，在函数内部不能使用。即使你在函数内部又声明了一个变量“c”，Python认为它是另一个局部变量，和全局变量“c”没有关系——Python是不是相当“固执”？没办法，这是为了保证函数内部的代码运行时，不至于影响到全局变量的值，如果许多函数都修改了全局变量，谁也不知道这个变量里面保存了什么值了，程序的逻辑就会混乱。 这时你可能想，我比Python还固执，我就是要在函数里面修改全局变量的值，不行吗？当然可以，这需要你使用 global关键字，告诉Python我要用的就是全局变量，不是一个新的局部变量：

c = 1000
def test_func(a,b):
    global c
    c = a * b
    return c
d = test_func(2,3)
print('d=',d)
print('c=',c)

再次运行，这次的变量c和变量d值相同了，都是6。  

  原来是这样！你长吁一口气，打算休息一下了——且慢，还没完。如果变量c是一个列表，会发生什么事？

c = [1,2]
def test_func(a,b):
    c.append(a+b)
    return c
d = test_func(2,3)
print('d=',d)
print('c=',c)

在上面这段程序中，c是一个列表型变量，初始状态下它有1、2两个元素，在函数内部我们直接将a+b的值作为一个新元素添加到c中（在函数内部并没有声明c），结果函数居然没有出错，还修改了全局变量c的值：  

  看来，如果是组合类型的变量（比如列表），即使是全局变量，在函数内部也可以修改它。 如果你的原意是想在函数内部使用自己的列表c怎么办呢？只要在函数内部重新声明一下就可以了，它和全局变量c就没关系了：

c = [1,2]
def test_func(a,b):
    c = []
    c.append(a+b)
    return c
d = test_func(2,3)
print('d=',d)
print('c=',c)

 

  你可能有点晕，不过没办法，谁让你的水平提升，开始做更复杂的程序了呢？这就需要了解更多的技术细节。这里我们把全局变量和局部变量的内容总结一下：

• 简单数据类型的局部变量只能在函数内部创建和使用
• 简单数据类型的局部变量用global关键字声明后可以当作全局变量使用
• 组合数据类型的全局变量（如列表），在函数内部没有创建的情况下，可以修改全局变量
• 组合数据类型的全局变量（如列表），在函数创建同名变量的情况下，函数只修改局部变量，不影响全局列表的值

三、命名空间及作用域

从全局变量和局部变量的使用规则我们可以看出，变量名字重复是挺麻烦的。那么如果一个程序由多个模块组成，每个模块又是不同的程序员开发的，万一他们用的变量名字重复了怎么办呢？会不会出错？ 这一点你可以放心，因为Python中有“命名空间”的概念。命名空间是名称到对象的对应关系，一个模块里所有的名称属于同一个命名空间，所以命名不能重复；但模块1和模块2就是两个不同的命名空间，假如两个模块中都有同一个变量a，也不会相互影响。在现实中有一个对应的例子——假如你们班有位同学叫李磊，隔壁班也有个同学叫李磊，大家在各自的班级不会混淆；如果校长想找李磊，他只要带上命名空间就行，比如一二班的李磊，或者一三班的李磊，也能分得清。 Python中有下面三类命名空间：

• 内置名称：包括Python内置的函数和异常名称等，如str，print，NameError；
• 全局名称：包括在程序中使用的名称和各种导入模块的名称。这个命名空间在程序创建时被创建，程序运行结束时终止；
• 局部名称：包含一个函数中定义的名称，包括了函数的参数和局部变量的名称等。

Python查找特定名称时，会遵循从近即远的原则，即先找局部名称，如果找不到才会去全局名称中找；全局名称中没有，再去内置名称中寻找。看下面的例子：

# 调用内部函数print
print('hello')
# 定义一个与内部函数print重名的函数
def print(a):
    # pass 代表“什么也不做”
    pass
# 再次调用print
print('world')

在这个例子里我们定义了一个与内置函数print()重名的函数，当你在它后面调用print('world')的时候，它调用的就是全局名称，而不是Python内置名称，所以调用了我们自己的print()函数，这个函数什么也不做（只有一行pass语句），所以程序只输出了’hello'，没有'world'。  

  了解了命名空间的概念，我们再回顾一下全局变量和局部变量。在前面的代码中，你在函数里定义的局部变量，它的有效范围就是在函数内部，这个范围就是作用域。超出作用域的代码是无法访问这个变量的。在Python中一共有四种作用域，从内向外分别是： 局部作用域（Local）：包括局部变量，是最内层的作用域，比如自定义函数内部区域； 嵌套作用域（Enclosing）：包含非全局变量，比如你在函数a中又定义了一个函数b（Python是允许这么定义的，尽管我们还没用过，你了解即可），那么对于函数b中的变量来说，函数a的作用域就是嵌套作用域； 全局作用域（Global）：当前所运行程序的最外层，包括该程序中导入的模块的全局变量； 内置作用域（Build-in）：包含内置变量和关键字等。 如果内部作用域想修改外部作用域的变量时，就要用到 global 和 nonlocal 关键字了。前者用来修改全局作用域变量，后者是修改嵌套作用域变量的。前面讲全局变量时我们已经举例说明了global关键字的用法，它就是用来跨作用域的。 对于初学Python的你来说，不需要对四种作用域死记硬背，在未来的编程学习中，我们会不断遇到这方面的示例，你可以在实际运用中掌握它们，这里留下印象即可。

四、课后作业

请参照第一部分内容，在book目录下建立mod1和mod2两个模块，并分别包括fun_a和fun_b函数，在book目录下建立init.py导入本目录的模块，利用主程序导入book包并运行mod1、mod2中的函数。