Pythonの名前空間とスコープの仕組みをわかりやすく解説

Pythonでは、変数・関数・ライブラリ・モジュールなど、さまざまな「名前」を扱います。ところが、使おうとした変数名が、すでに別の変数や関数、メソッドの名前として存在している――そんな場面に遭遇することは珍しくありません。このような名前の衝突を避けるためにも、Pythonがこれらの名前をどのように管理しているのかを理解しておく必要があります。その鍵となるのが「名前空間(namespace)」という概念です。

名前空間の3つの種類

Pythonの名前空間は、大きく次の3つに分類されます。

• ローカル名前空間(Local Namespace)

  関数の中で定義された変数や関数の名前を保持する名前空間です。関数が呼び出されたときに作成され、関数の実行が終わると同時に破棄されます。

• グローバル名前空間(Global Namespace)

  モジュール(プログラムファイル)のトップレベルで定義された変数や関数の名前を保持します。プログラムの実行中は常に存在し、モジュール内のどこからでも参照できる名前がここに登録されます。

• ビルトイン名前空間(Built-in Namespace)

  最上位に位置する名前空間です。print() や len() といった組み込み関数、例外クラスなど、Pythonインタープリタがあらかじめ提供している名前が含まれ、インタープリタの起動とともに作成されます。

これらの名前空間は階層構造になっており、ビルトイン名前空間がグローバル名前空間を包含し、さらにグローバル名前空間がローカル名前空間を包含する関係になっています。

スコープ(Scope)とは

名前空間には有効期間があります。この「名前が有効である範囲」のことをスコープと呼びます。スコープは、変数やオブジェクトがコード上のどの位置に書かれているかによって決まります。

基本的なルールとして、内側のスコープから外側のスコープの名前は参照できますが、外側から内側の名前を参照することはできません。また、モジュールのトップレベルで定義した名前はグローバル変数として扱われます。

なお、Pythonがある名前を探すときは、「ローカル → エンクロージング(外側の関数)→ グローバル → ビルトイン」の順(LEGBルール)で検索が行われます。

サンプルコード

prog_var = 'Hello'

def outer_func():
    outer_var = 'x'

    def inner_func():
        inner_var = 'y'
        print(dir(), '- inner_func のローカル変数')

    inner_func()
    print(dir(), '- outer_func のローカル変数')

outer_func()
print(dir(), '- グローバル変数')

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

実行結果

['inner_var'] - inner_func のローカル変数
['inner_func', 'outer_var'] - outer_func のローカル変数
['__annotations__', '__builtins__', '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'outer_func', 'prog_var'] - グローバル変数

結果の読み方

dir() 関数は、現在のスコープで参照できる名前の一覧を返します。実行結果からは次のことが読み取れます。

• inner_func の中:自分のローカル変数 inner_var だけが見えています。
• outer_func の中:自分のローカル変数 outer_var に加え、内側で定義した関数 inner_func も参照できます。
• グローバルスコープ:トップレベルで定義した prog_var や outer_func に加え、__name__ などインタープリタが自動的に用意する特殊な名前も含まれています。

このように、スコープは内側から外側へは開かれていますが、外側から内側へは閉じています。名前空間とスコープの仕組みを理解しておけば、変数名の衝突によるバグを防ぎ、より安全で読みやすいコードを書けるようになります。