区域と通行証：スコープ

ド・ミラン班長が、壁に貼られた空港の案内図を指でたどります。「搭乗口、ターミナル、空港、国。通行証は内側から確認する。内側にあれば、外側は見もしない」

今日の届けは、保安検査場のカウンターです。外側に scanned = 0 を置き、関数の中で一つずつ増やそうとしたのに、1行目から「そんな値はない」というエラーが出ます。班長は関数のいちばん下の行を指さします。「犯人はここ。値を入れている行だよ」

5-1. 名前を探す順番：LEGB (9分)

名前を読むとき、Pythonは四つの区域を内側から順に探します。最初に見つかったところで止まります。

zone = "G"

def terminal():
    gate = "E"
    def boarding():
        seat = "L"
        print(seat, gate, zone, len("abc"))
    boarding()

terminal()
# L E G 3

• seat は boarding の中（L）で、gate は外側の関数 terminal（E）で見つかります。
• zone はモジュール（G）で、len は組み込み（B）で見つかります。
• 四つの区域のどこにもなければ NameError です。
• 区域は、関数をどこで呼ぶかではなく、どこに書いたかで決まります。boarding を別の場所から呼んでも、gate は terminal で探します。

下のスコープ地図は、コードを実行せずに読むだけで、名前ごとにどの区域で見つかるかを示します。最後の broken 関数は、次の節の主役です。

• seat @ terminal を選んでみてください。seat は内側の関数 boarding のローカル名なので、外側の terminal からは見えません。探す方向はいつも内から外へです。
• zone @ broken は L で「ここで見つかった」と表示されます。名前がその関数のローカル名に決まったという意味であって、値が入っているという意味ではありません。

5-2. 値を入れる場所がスコープを決める (10分)

届出人のコードです。

scanned = 0

def scan(bag):
    print(bag, scanned)
    scanned = scanned + 1

scan("T1")
# UnboundLocalError: cannot access local variable 'scanned' where it is not associated with a value

エラーは5行目ではなく、4行目の print で出ます。5行目はまだ実行すらされていません。それでもPythonは、4行目の scanned を外側で探しません。

規則は一つです。関数の中のどこかで名前に値を入れると、その名前は関数全体でローカル名になります。この決定は実行時ではなく、関数をコンパイルするときに下されます。

def scan(bag):
    print(bag, scanned)
    scanned = scanned + 1

print(scan.__code__.co_varnames)
# ('bag', 'scanned')
print(issubclass(UnboundLocalError, NameError))
# True

• co_varnames は、コンパイラが決めておいたローカル名の一覧です。scanned がすでに入っています。
• だから4行目は「ローカルのタグ scanned」を探し、そのタグはまだどのかばんにもぶら下がっていません。エラーメッセージが言っているのはまさにそのことです。
• UnboundLocalError は NameError の一種です。

実行されない行も同じように数えられます。

x = 10

def f():
    print(x)
    if False:
        x = 1

f()
# UnboundLocalError: cannot access local variable 'x' where it is not associated with a value

「値を入れる」のは = だけではありません。+=、for x in ...、import x、def x():、class x:、with ... as x、except ... as x、del x も、すべてその関数のローカル名を作ります。

下のタグボードで三つのやり方を比べてみてください。一つ目は届出人のコードで、最後のステップにエラーが表示されます。

5-3. 外側のタグを直接付け替える：global と nonlocal (7分)

外側の区域の名前に値を入れたいなら、あらかじめ宣言します。

scanned = 0

def scan(bag):
    global scanned
    scanned = scanned + 1

scan("T1")
scan("T2")
print(scanned)
# 2

def terminal():
    boarded = 0
    def board():
        nonlocal boarded
        boarded += 1
    board()
    board()
    return boarded

print(terminal())
# 2

• global x：この関数では、x はモジュールの名前です。値を入れると、モジュールのタグが付け替わります。
• nonlocal x：この関数では、x はいちばん近い外側の関数の名前です。モジュールの名前には使えません。
• nonlocal を付けた名前が外側の関数にないと、実行前に SyntaxError: no binding for nonlocal 'x' found になります。
• 宣言は、その名前を使う前にしなければなりません。先に値を入れて後ろで global x と書くと、SyntaxError: name 'x' is assigned to before global declaration です。

読むだけなら宣言はいりません。5-1の boarding は、宣言なしで gate と zone を読んでいました。宣言が必要なのは値を入れるときだけです。

global は関数の外の状態をこっそり変えるので、関数を単独でテストしにくくします。たいていは、値を引数で受け取って新しい値を返すほうがよいでしょう。nonlocal は6限目のクロージャでまた使います。

5-4. 区域を作るもの、作らないもの (5分)

Pythonで新しい区域を作るのは、関数（def、lambda）、内包表記、クラス本体です。if、for、while、with、try のブロックは区域を作りません。

for i in range(3):
    pass
print(i)
# 2

if True:
    inside = "if"
print(inside)
# if

sq = [n * n for n in range(3)]
print(sq)
# [0, 1, 4]
print(n)
# NameError: name 'n' is not defined

• for が終わっても、ループ変数 i は最後の値（2）のまま残ります。ループの中で作った名前も同じです。
• 内包表記の n は外に漏れません。3.12からCPythonは内包表記を別の関数にせず、展開して実行しますが（PEP 709）、名前が漏れないという規則は変わりません。

5-5. 組み込みの名前を隠してしまう (5分)

組み込みの名前は、いちばん外側（B）にあります。だから、グローバルに同じ名前を作ると、それ以降はグローバルの名前が先に見つかります。

list = ["T1", "T2"]
print(list("ab"))
# TypeError: 'list' object is not callable

list というタグがグローバルでリストのかばんにぶら下がったので、list("ab") はそのリストを呼ぼうとして失敗します。組み込みの list が消えたわけではありません。隠れただけです。

list = ["T1", "T2"]
del list
print(list("ab"))
# ['a', 'b']

import builtins
print(builtins.list is list, builtins.len("abc"))
# True 3

• グローバルのタグ list を外せば、また組み込みの list が見えます。
• 組み込みの名前は builtins モジュールに入っています。隠れていても、builtins.list でいつでも取り出せます。
• 1限目の練習問題3の答えです。shout = print のあとで del print をすると、NameError: name 'print' is not defined になります。グローバルに print というタグはないので、外すものもないのです。

list、dict、str、id、type、input、max、sum のような名前を変数に使わないでください。そのファイルの中で、組み込み関数を隠してしまいます。

5-6. 区域をのぞく：locals()、globals()、vars()、dir() (4分)

• globals()：モジュールの区域の辞書。モジュールで呼べば、本物の保管場所そのものです。
• locals()：いまの区域の名前たち。モジュールでは globals() と同じです。
• vars(obj)：オブジェクトの __dict__。引数なしで呼ぶと locals() と同じです（7限目）。
• dir()：名前の一覧だけを並べ替えて返します。

関数の中の locals() は、3.13から意味がはっきりしました（PEP 667）。呼ぶたびにその瞬間のスナップショットを新しい辞書として返します。その辞書を書き換えても、ローカル変数は変わりません。

def check():
    y = 1
    locals()["y"] = 99
    print(y, locals()["y"])
    snap = locals()
    y = 2
    print(snap["y"], locals()["y"])

check()
# 1 1
# 1 2

def where(a):
    b = 2
    return dir(), vars()

print(where(1))
# (['a', 'b'], {'a': 1, 'b': 2})

• locals()["y"] = 99 は、いま作ったスナップショットを書き換えるだけです。変数 y は1のままです。
• snap は撮った瞬間の値（1）を保っています。もう一度呼んだ locals() で、ようやく2が見えます。
• 名前を動的に作りたいなら、locals() ではなく辞書を使ってください。

事件解決 (10分)

カウンターの直し方は二つあります。外側のタグを直接付け替える（global）か、値を受け取って新しい値を返すかです。

scanned = 0

def scan(bag):
    global scanned
    print(bag, scanned)
    scanned = scanned + 1

scan("T1")
scan("T2")
print(scanned)
# T1 0
# T2 1
# 2

def scan_count(bag, count):
    print(bag, count)
    return count + 1

total = 0
total = scan_count("T1", total)
total = scan_count("T2", total)
print(total)
# T1 0
# T2 1
# 2

ハンさんは二つ目のやり方を選びます。検査場が何台に増えても、台ごとに別々に数えられるからです。班長が付け加えます。「区域ごとに自分のタグがある。よその区域のタグを付け替えたいなら、まず通行証を見せないとね」

練習問題

1. 5-1の boarding の中で、print の下に zone = "L" を1行足すとどうなるでしょう？　スコープ地図の zone @ broken と比べてみてください。
2. nonlocal を使わずに、外側の関数のリストに append して個数を数えるカウンターを作ってみてください。なぜ宣言なしでも動くのでしょう？（ヒント：タグの付け替えと、かばんの変更）
3. モジュールのいちばん上に sum = 0 を置いてから sum([1, 2, 3]) を呼ぶと、どんなエラーになるでしょう？　builtins を使って直してみてください。