读 Python behind the scenes #5: how variables are implemented in CPython
内容提要
本文解析CPython中变量赋值的实现原理，通过字节码操作码（如LOAD_NAME、STORE_NAME、LOAD_FAST等）说明变量如何存储和查找，涉及命名空间（locals、globals、builtins）与作用域（LEGB规则）。不同代码块（模块、函数、类）使用不同操作码，如函数局部变量用LOAD_FAST提升性能，闭包用LOAD_DEREF，全局变量用LOAD_GLOBAL。文章强调变量赋值远比表面复杂，为理解Python对象系统铺垫。
延伸解读
性能差异：STORE_FAST 为何更快
文章通过基准测试展示了 STORE_FAST 比 STORE_NAME 快约 40%（4.5 秒 vs 2.6 秒）。原因在于 STORE_FAST 直接通过静态计算的索引访问 frame 的 f_localsplus 数组，而 STORE_NAME 需要字典查找。这解释了为什么 Python 编译器在函数内部使用 LOAD_FAST/STORE_FAST 来优化局部变量访问，而模块和类体则使用较慢的 LOAD_NAME/STORE_NAME。
作用域规则决定操作码选择
文章中的表格清晰展示了不同代码块（模块、函数、类）如何根据 LEGB 规则选择不同的操作码。例如，函数内局部变量用 LOAD_FAST，闭包变量用 LOAD_DEREF，全局变量用 LOAD_GLOBAL。类体特殊，使用 LOAD_NAME 和 LOAD_CLASSDEREF。理解这些操作码有助于调试 NameError 或 UnboundLocalError，例如在类中访问外部函数变量时需注意作用域。
闭包与 nonlocal 的陷阱
文章通过示例说明，在内部函数中修改外部变量时，必须声明 nonlocal，否则 Python 会将其视为局部变量，导致 UnboundLocalError。这是因为编译器在编译阶段就决定了变量的作用域，而非运行时。闭包变量存储在 cell 对象中，由外部函数的 frame 和内部函数的 __closure__ 共享，理解这一点有助于避免闭包使用中的常见错误。
Q&A
CPython中变量赋值语句 `a = b` 在字节码层面是如何实现的？
在CPython中，`a = b` 会被编译为两条字节码指令：`LOAD_NAME` 和 `STORE_NAME`。`LOAD_NAME` 从命名空间中查找变量 `b` 的值并压入值栈，`STORE_NAME` 从栈中弹出该值并存储到变量 `a` 对应的命名空间中。
CPython中 `LOAD_NAME` 和 `STORE_NAME` 操作码是如何工作的？
`STORE_NAME` 从值栈弹出值，并通过 `f_locals` 字典将变量名与值关联。`LOAD_NAME` 首先在 `f_locals` 中查找变量，若未找到则依次在 `f_globals` 和 `f_builtins` 中查找，若都未找到则抛出 `NameError`。
CPython中为什么函数局部变量使用 `LOAD_FAST` 而不是 `LOAD_NAME`？
因为函数局部变量在编译时就能确定其在 `f_localsplus` 数组中的索引，使用 `LOAD_FAST` 可以直接通过索引访问，避免了字典查找的开销，从而提升性能。
CPython中闭包变量是如何存储和访问的？
闭包变量存储在 `cell` 对象中，外层函数的 `f_localsplus` 和内部函数的 `__closure__` 都引用同一个 `cell`。访问闭包变量使用 `LOAD_DEREF`，修改使用 `STORE_DEREF`。
在CPython中，全局变量和内置变量是如何查找的？
全局变量通过 `LOAD_GLOBAL` 操作码在 `f_globals` 中查找，若未找到则继续在 `f_builtins` 中查找。内置变量（如 `len`、`int`）也通过 `LOAD_GLOBAL` 查找，但最终会回退到 `f_builtins`。
CPython中类体（class body）中的变量赋值使用哪些操作码？
类体中的变量赋值使用 `STORE_NAME` 和 `LOAD_NAME`，因为类体是一个独立的命名空间，但它的作用域规则与函数不同，不能访问闭包变量，除非使用 `LOAD_CLASSDEREF`。
CPython中 `nonlocal` 关键字的作用是什么？如果不使用会怎样？
`nonlocal` 关键字用于在嵌套函数中声明变量属于外层函数，从而允许修改闭包变量。如果不使用 `nonlocal`，在内部函数中对同名变量赋值会被视为局部变量，导致 `UnboundLocalError`。
CPython中命名空间（namespace）和作用域（scope）有什么区别？
命名空间是存储变量名到值的映射的字典，如 `f_locals`、`f_globals`、`f_builtins`。作用域是程序中可以直接访问这些命名空间的文本区域，遵循LEGB规则（Local、Enclosing、Global、Built-in）。
