程序中的命名与作用域

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最近在读《代码之髓》，里面讲解了很多编程语言中的concepts是为何产生的。本篇笔记主要参考了书中的第7章：名字与作用域。

转自:米游社@战小医仙

命名

计算机在执行程序时是根据内存地址中的信息来执行的，其无需得知每个变量的名字是什么。因此早期的编程中是没有命名这一概念的。后来为了方便人在编程时对变量所代表的含义和类型进行记忆，才开始给变量和函数进行取名。例如，相比于"经度：108.654519、纬度：34.255314"来说，中国西部科技创新港更容易理解和记忆，又比如相比"8.7.198.46"来说，"某个不存在的网站"这种描述更令人印象深刻。

那么计算机是如何将名字和变量及函数对应起来的呢，答案是使用对照表。这类似与我们在图书馆里找一本书，通过在数据库中检索，便可以将书名转换为分类编号，再通过分类编号既可以找到想要借阅的书在哪里。以创新港的图书馆为例：

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《代码之髓》=>TP312/159,《古今数学思想第一册》=>O11/510-1/C.1

有了这样的对照表，计算机在处理"找到《代码之髓》"这个命令时，便可以转换成"找到编号为TP312/159的图书"来进行执行。

以python为例：

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x = 'python'
y = 'hello'
z = x

id(x)	# => 2256008235312
id(y)	# => 2256008254512
id(z)	# => 2256008235312

在上述程序中，计算机建立了如下的对照表：

graph LR
x[x]-->a[2256008235312]
y[y]-->b[2256008254512]
z[z]-->a

在上面的对照表中，变量x和变量z指向了同一个内存地址，因此，当变量z发生改变时，变量x也会相应的发生改变。只不过python中str不可变罢了

命名冲突

在早期的程序设计中，对照表是整个程序所共有的。这就会产生一些问题，例如下面这段C++代码：

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#include <iostream>
using namespace std;

int i=0;

int main()
{
	for (i=0;i<10;i++){
		print();
	}
}

这个循环理应运行10次结束，然而，如果在函数print中对i进行了操作呢：

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void print(){
	cout<<"ok"<<endl;
	i--;
}

由于变量i在函数内部和函数外部中都被使用了，使得其无法在预期的10次for循环之后直接结束。将会无限次循环。

如何避免这种命名冲突呢，一种方法是取更长的名字，在名字中说明这个变量是用于哪里的。例如i_in_print和i_in_main，在多人合作开发时采用变量名申请制来进行管理。

然另一种方法就是引入作用域。下文将主要围绕作用域展开。

作用域

作用域是指名字的有效范围，为了不让print函数中对i的操作影响到外部，那么在函数执行之前将其值存储起来，在函数执行结束之后再取出来便可以解决这个问题。这种机制被称为动态作用域

动态作用域

以Perl语言为例，在函数执行入口保存变量值，在结束时重新写回变量

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sub shori{
	$old_i = $i;
	# do something
	$i = $old_i
}

然而，这样的作法存在一个问题，那就是函数在嵌套调用时，对变量的修改会作用到被调用的函数中，以下面这两个函数为例：

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$x = "global"

sub yobu {
	local $x = "yobu";
	&yobarebu();
}

sub yobarebu {
	print "$x\n";
}

调用函数yobu时，变量x被改写为yobu，在函数运行结束重新写回之前，调用yobarebu函数时显示使用的变量x的值为yobu。这说明函数yobu中对变量的更改对于在其中调用的函数运行有影响。

产生这种现象的原因时，在动态作用域中，所有变量共享一张全局对照表，而在进入函数时，会创建一张动态对照表，这张表是所有函数共享的，所有的函数都可以读取到，这就造成了上述现象的发生。

总结来说，在动态作用域中，每个变量在查找对应的地址时，按照由近到远的顺序来查找。这造成了函数嵌套调用时相互影响的现象，为了解决这种现象，我们可以给每个函数使用单独的对照表进行存储变量，这就是静态作用域。

静态作用域

静态作用域每个函数单独使用一张变量表。计算机在寻找变量时，首先从函数内部的变量表中进行查找，如果找不到则到全局变量表中进行查找。这很好的解决了动态作用域下函数嵌套调用时产生的问题。

然而，静态作用域在使用时也存在一些问题。一是嵌套函数的问题，以Python为例：

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x = "global"
def foo():
    x = "foo"
    def bar():
        print(x)
    bar()
foo()

在该嵌套函数中，bar函数中输出的x乍一看应该是foo，然而，在Python 2中，函数bar在查找变量x时，首先查找局部对照表，没找到时直接在全局对照表中进行查找，因此输出结果是global。这种设计给程序带来了很多误解。直到Python 3中才解决了这个问题。

第二个问题是外部作用域的再绑定问题。当我们想要在函数中修改一个外部作用域的值时，反而会创建一个新的变量，从而无法修改外部作用域的值。例如：

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x = "global"
def foo():
    x = "foo"
    def bar():
        x = "bar"
        # 创建了一个新的x
        # 无法修改外面的x
    bar()
foo()

在Python 3.0中，引入了nonlocal关键字来解决这个问题：

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x = "global"
def foo():
    x = "foo"
    def bar():
    	nonlocal x
        x = "bar"
        # 创建了一个新的x
        # 无法修改外面的x
    bar()
foo()

小结

计算机技术的发展带来了更强大的计算能力，从而出现了越来越复杂的程序。命名与作用域的发展凸显了当程序规模很大时，为变量和函数命名时人与计算机之间的矛盾。编程语言中的任何特性都并非凭空产生，而是为了解决某些问题而出现的。