4. Модель виконання

4.1. Структура програми

Програма Python складається з блоків коду. block — це частина тексту програми Python, яка виконується як одиниця. Це блоки: модуль, тіло функції та визначення класу. Кожна команда, введена в інтерактивному режимі, є блоком. Файл сценарію (файл, наданий інтерпретатору як стандартний ввід або вказаний як аргумент командного рядка для інтерпретатора) є блоком коду. Команда сценарію (команда, указана в командному рядку інтерпретатора з опцією -c) — це блок коду. Модуль, запущений як сценарій верхнього рівня (як модуль __main__) з командного рядка за допомогою аргументу -m, також є блоком коду. Рядковий аргумент, який передається до вбудованих функцій eval() і exec(), є блоком коду.

Блок коду виконується у execution frame. Кадр містить деяку адміністративну інформацію (використовується для налагодження) і визначає, де і як виконання продовжується після завершення виконання блоку коду.

4.2. Називання та зв’язування

4.2.1. Прив’язка імен

Names стосуються об’єктів. Імена вводяться за допомогою операцій зв’язування імен.

Наступні конструкції зв’язують імена:

• формальні параметри функцій,

• визначення класів,

• визначення функцій,

• вирази присвоєння,

• targets, які є ідентифікаторами, якщо зустрічаються у призначенні:

  • for заголовок циклу,

  • after as in a with statement, except clause, except* clause, or in the as-pattern in structural pattern matching,

  • у шаблоні захоплення в зіставленні структурного шаблону

• import оператори.

• type statements.

• type parameter lists.

Оператор import у формі from ... import * прив’язує всі імена, визначені в імпортованому модулі, за винятком тих, що починаються з підкреслення. Цю форму можна використовувати лише на рівні модуля.

Ціль, що зустрічається в операторі del, також вважається зв’язаною для цієї мети (хоча фактична семантика полягає в тому, щоб роз’єднати ім’я).

Кожен оператор призначення або імпорту відбувається в блоці, визначеному визначенням класу чи функції, або на рівні модуля (блок коду верхнього рівня).

Якщо ім’я прив’язане до блоку, воно є локальною змінною цього блоку, якщо не оголошено як nonlocal або global. Якщо ім’я прив’язане на рівні модуля, воно є глобальною змінною. (Змінні блоку коду модуля є локальними та глобальними.) Якщо змінна використовується в блоці коду, але не визначена там, це free variable.

Кожне входження імені в текст програми посилається на binding цього імені, встановлене наступними правилами розпізнавання імен.

4.2.2. Розділення імен

scope визначає видимість імені в блоці. Якщо локальна змінна визначена в блоці, її область включає цей блок. Якщо визначення міститься у функціональному блоці, область поширюється на будь-які блоки, що містяться в визначальному, якщо тільки блок не вводить іншу прив’язку для імені.

Коли ім’я використовується в блоці коду, воно розпізнається за допомогою найближчої охоплюючої області. Набір усіх таких областей, видимих для блоку коду, називається environment блоку.

Якщо ім’я взагалі не знайдено, виникає виняток NameError. Якщо поточна область є областю функції, а ім’я посилається на локальну змінну, яка ще не прив’язана до значення в точці, де використовується ім’я, виникає виняток UnboundLocalError. UnboundLocalError є підкласом NameError.

If a name binding operation occurs anywhere within a code block, all uses of the name within the block are treated as references to the current block. This can lead to errors when a name is used within a block before it is bound. This rule is subtle. Python lacks declarations and allows name binding operations to occur anywhere within a code block. The local variables of a code block can be determined by scanning the entire text of the block for name binding operations. See the FAQ entry on UnboundLocalError for examples.

If the global statement occurs within a block, all uses of the names specified in the statement refer to the bindings of those names in the top-level namespace. Names are resolved in the top-level namespace by searching the global namespace, i.e. the namespace of the module containing the code block, and the builtins namespace, the namespace of the module builtins. The global namespace is searched first. If the names are not found there, the builtins namespace is searched next. If the names are also not found in the builtins namespace, new variables are created in the global namespace. The global statement must precede all uses of the listed names.

Оператор global має ту саму область дії, що й операція прив’язки імені в тому самому блоці. Якщо найближча охоплююча область для вільної змінної містить глобальний оператор, вільна змінна розглядається як глобальна.

The nonlocal statement causes corresponding names to refer to previously bound variables in the nearest enclosing function scope. SyntaxError is raised at compile time if the given name does not exist in any enclosing function scope. Type parameters cannot be rebound with the nonlocal statement.

Простір імен для модуля створюється автоматично під час першого імпорту модуля. Основний модуль для сценарію завжди називається __main__.

Class definition blocks and arguments to exec() and eval() are special in the context of name resolution. A class definition is an executable statement that may use and define names. These references follow the normal rules for name resolution with an exception that unbound local variables are looked up in the global namespace. The namespace of the class definition becomes the attribute dictionary of the class. The scope of names defined in a class block is limited to the class block; it does not extend to the code blocks of methods. This includes comprehensions and generator expressions, but it does not include annotation scopes, which have access to their enclosing class scopes. This means that the following will fail:

class A:
    a = 42
    b = list(a + i for i in range(10))

However, the following will succeed:

class A:
    type Alias = Nested
    class Nested: pass

print(A.Alias.__value__)  # <type 'A.Nested'>

4.2.3. Annotation scopes

Type parameter lists and type statements introduce annotation scopes, which behave mostly like function scopes, but with some exceptions discussed below. Annotations currently do not use annotation scopes, but they are expected to use annotation scopes in Python 3.13 when PEP 649 is implemented.

Annotation scopes are used in the following contexts:

• Type parameter lists for generic type aliases.

• Type parameter lists for generic functions. A generic function’s annotations are executed within the annotation scope, but its defaults and decorators are not.

• Type parameter lists for generic classes. A generic class’s base classes and keyword arguments are executed within the annotation scope, but its decorators are not.

• The bounds and constraints for type variables (lazily evaluated).

• The value of type aliases (lazily evaluated).

Annotation scopes differ from function scopes in the following ways:

• Annotation scopes have access to their enclosing class namespace. If an annotation scope is immediately within a class scope, or within another annotation scope that is immediately within a class scope, the code in the annotation scope can use names defined in the class scope as if it were executed directly within the class body. This contrasts with regular functions defined within classes, which cannot access names defined in the class scope.

• Expressions in annotation scopes cannot contain yield, yield from, await, or := expressions. (These expressions are allowed in other scopes contained within the annotation scope.)

• Names defined in annotation scopes cannot be rebound with nonlocal statements in inner scopes. This includes only type parameters, as no other syntactic elements that can appear within annotation scopes can introduce new names.

• While annotation scopes have an internal name, that name is not reflected in the __qualname__ of objects defined within the scope. Instead, the __qualname__ of such objects is as if the object were defined in the enclosing scope.

Added in version 3.12: Annotation scopes were introduced in Python 3.12 as part of PEP 695.

4.2.4. Lazy evaluation

The values of type aliases created through the type statement are lazily evaluated. The same applies to the bounds and constraints of type variables created through the type parameter syntax. This means that they are not evaluated when the type alias or type variable is created. Instead, they are only evaluated when doing so is necessary to resolve an attribute access.

приклад:

>>> type Alias = 1/0
>>> Alias.__value__
Traceback (most recent call last):
  ...
ZeroDivisionError: division by zero
>>> def func[T: 1/0](): pass
>>> T = func.__type_params__[0]
>>> T.__bound__
Traceback (most recent call last):
  ...
ZeroDivisionError: division by zero

Here the exception is raised only when the __value__ attribute of the type alias or the __bound__ attribute of the type variable is accessed.

This behavior is primarily useful for references to types that have not yet been defined when the type alias or type variable is created. For example, lazy evaluation enables creation of mutually recursive type aliases:

from typing import Literal

type SimpleExpr = int | Parenthesized
type Parenthesized = tuple[Literal["("], Expr, Literal[")"]]
type Expr = SimpleExpr | tuple[SimpleExpr, Literal["+", "-"], Expr]

Lazily evaluated values are evaluated in annotation scope, which means that names that appear inside the lazily evaluated value are looked up as if they were used in the immediately enclosing scope.

Added in version 3.12.

4.2.5. Вбудоване та обмежене виконання

Деталі реалізації CPython: Користувачі не повинні торкатися __builtins__; це суто деталь реалізації. Користувачі, які хочуть змінити значення у просторі імен вбудованих модулів, повинні import модуль builtins і відповідним чином змінити його атрибути.

Простір вбудованих імен, пов’язаний із виконанням блоку коду, фактично можна знайти шляхом пошуку назви __builtins__ у його глобальному просторі імен; це має бути словник або модуль (в останньому випадку використовується словник модуля). За замовчуванням у модулі __main__ __builtins__ є вбудованим модулем builtins; у будь-якому іншому модулі __builtins__ є псевдонімом для словника самого модуля builtins.

4.2.6. Взаємодія з динамічними функціями

Розділення імен вільних змінних відбувається під час виконання, а не під час компіляції. Це означає, що наступний код виведе 42:

i = 10
def f():
    print(i)
i = 42
f()

Функції eval() і exec() не мають доступу до повного середовища для розпізнавання імен. Імена можуть бути дозволені в локальному та глобальному просторах імен абонента. Вільні змінні вирішуються не в найближчому охоплюючому просторі імен, а в глобальному просторі імен. [1] Функції exec() і eval() мають додаткові аргументи для заміни глобального та локального простору імен. Якщо вказано лише один простір імен, він використовується для обох.

4.3. Винятки

Винятки — це засіб виходу зі звичайного потоку керування блоком коду для обробки помилок або інших виняткових умов. Виняток викликається в точці, де виявлено помилку; вона може оброблятися навколишнім блоком коду або будь-яким блоком коду, який прямо чи опосередковано викликав блок коду, де сталася помилка.

Інтерпретатор Python викликає виняток, коли виявляє помилку під час виконання (наприклад, ділення на нуль). Програма на Python також може явно викликати виняток за допомогою оператора raise. Обробники винятків визначаються оператором try … except. Речення finally такого оператора можна використовувати для визначення коду очищення, який не обробляє виняток, але виконується незалежно від того, чи виникла виняток у попередньому коді.

Python використовує модель «припинення» обробки помилок: обробник винятків може дізнатися, що сталося, і продовжити виконання на зовнішньому рівні, але він не може виправити причину помилки та повторити невдалу операцію (за винятком повторного введення несправної частини коду зверху).

Якщо виняток взагалі не обробляється, інтерпретатор припиняє виконання програми або повертається до основного інтерактивного циклу. У будь-якому випадку він друкує зворотне трасування стека, за винятком випадків, коли винятком є SystemExit.

Винятки визначаються екземплярами класу. Речення except вибирається залежно від класу примірника: воно має посилатися на клас примірника або його невіртуальний базовий клас. Примірник може бути отриманий обробником і може містити додаткову інформацію про винятковий стан.

Примітка

Повідомлення про винятки не є частиною API Python. Їх вміст може змінюватися від однієї версії Python до іншої без попередження, і на нього не слід покладатися кодом, який працюватиме під кількома версіями інтерпретатора.

Дивіться також опис оператора try у розділі Оператор try та оператора raise у розділі Оператор raise.

Виноски

[1]

Це обмеження виникає через те, що код, який виконується цими операціями, недоступний під час компіляції модуля.