为什么在含有子函数的函数中exec不起作用？

Question

看起来你不能在一个有子函数的函数里使用exec...

有人知道为什么这段Python代码不工作吗？我在test2里的exec那行遇到了错误。而且，我知道使用exec不是个好习惯，但相信我，我是有正当理由才用它的，不然我不会这么做。

#!/usr/bin/env python
#

def test1():
    exec('print "hi from test1"')

test1()

def test2():
    """Test with a subfunction."""
    exec('print "hi from test2"')
    def subfunction():
        return True

test2()

补充：我把问题缩小到是在子函数里有一个函数。这和raise这个关键词没有关系。

Answer 1

这是一个相当有趣的案例：

>>> def func():
...     exec('print "hi from func"')
...     def subfunction():
...         return True
... 
  File "<stdin>", line 2
SyntaxError: unqualified exec is not allowed in function 'func' because 
it contains a nested function with free variables

之所以这个代码不工作，实际上是因为 subfunction 里面有一个自由变量。由于在 Python 2 中，exec 理论上可以修改外层作用域的局部变量，所以很难判断这个变量应该从全局变量还是父函数的作用域中获取。Python 的哲学中有一句话是："面对模糊的情况，拒绝猜测的诱惑." 这就是 Python 2 的做法。

那么，这个自由（未绑定）变量是什么呢？其实就是 True！

实际上，用 None 也能复现这个问题：

>>> def func():
...     exec('print "hi from func"')
...     def subfunction():
...         return None
... 
  File "<stdin>", line 2
SyntaxError: unqualified exec is not allowed in function 'test2' because it contains a nested
function with free variables

尽管 None 是不能被赋值的，并且在字节码中被视为一个 常量，但有问题的解析器在这里认为它是一个未绑定的变量。

不过，如果你把它换成 1，就能正常工作了：

>>> def test2():
...     exec('print "hi from func"')
...     def subfunction():
...         return 1
... 
>>>

为了避免这个错误，可以明确指定 exec 要使用的全局变量和可能的局部变量，比如：

>>> def test2():
...     exec 'print "hi from test2"' in {}
...     def subfunction():
...         return None
...
>>>

---

在 Python 3 中，exec 只是一个简单的函数，不会被解析器或字节码编译器特别处理。在 Python 3 中，exec 不能重新绑定函数内部的名称，因此这个语法错误和模糊性就不存在了。

---

在 Python 2 和 3 的兼容性中，有一个特别的情况，就是虽然 Python 2.7 的文档 说明：

形式 exec(expr, globals) 等价于 exec expr in globals，而形式 exec(expr, globals, locals) 等价于 exec expr in globals, locals。元组形式的 exec 提供了与 Python 3 的兼容性，因为在 Python 3 中，exec 是一个函数，而不是一个语句。

元组形式并不总是 100% 兼容，因为在处理带有嵌套函数的 exec 时曾经有 一个 bug（问题 21591）；在 Python 2.7.8 之前，以下代码可能会抛出异常：

def func():
    exec('print "hi from test2"', {})
    def subfunction():
        return None

这个问题在 Python 2.7.9 中被修复了，现在不再抛出异常。

Answer 2

虽然在Python中，看起来本地变量好像是存储在一个叫做locals()的字典里，但实际上它们通常不是。大多数情况下，这些变量是存储在一个叫做“栈”的地方，并通过索引来访问。这种方式让查找本地变量的速度比每次都去查字典要快。如果你使用locals()这个函数，你得到的是一个新创建的字典，里面包含了所有的本地变量，这也是为什么给locals()赋值通常不起作用的原因。

这种情况有几个例外：

第一个例外是，当你在一个函数内部使用不带限定符的exec时，Python会关闭优化，使用真正的字典来存储本地变量。这意味着你可以在exec内部创建或更新变量，但这也意味着在这个函数中的所有本地变量访问速度会变得更慢。

第二个例外是，当你嵌套函数时，内部函数可以访问外部函数的本地变量。当内部函数这样做时，变量会存储在一个叫做“单元格”的对象中，而不是存储在栈上。由于多了一层间接访问，无论是从内部函数还是外部函数访问这些变量，速度都会变慢。

你遇到的问题是，这两种本地变量存储的例外情况是互相矛盾的。你不能同时让一个变量存储在字典中并通过单元格引用来访问。Python 2.x通过禁止使用exec来解决这个问题，即使在你并不打算使用任何作用域变量的情况下也是如此。

Answer 3

没错。如果一个函数里面有子函数，你不能在这个函数里使用exec，除非你指定一个上下文。根据文档的说明：

如果在一个函数中使用exec，而这个函数里面有一个包含自由变量的嵌套块，编译器会抛出一个语法错误，除非exec明确指定了本地命名空间。换句话说，“exec obj”是非法的，但“exec obj in ns”是合法的。

这样做是有原因的，我可能会理解这些原因，如果今天不是星期天晚上。接下来，问你一个问题：你为什么要使用exec？这种情况非常少见。你说你有个好理由，我对此有点怀疑。😉 如果你真的有好理由，我可以告诉你解决办法。😜

好吧，反正这里有解决办法：

def test2():
    """Test with a subfunction."""
    exec 'print "hi from test2"' in globals(), locals()
    def subfunction():
        return True