引言

上一篇文章中，我们简单介绍了各种导入模块的方法，并通过代码演示了模块被导入之前的模块查找的路径解析过程，但是，只是局限在了加载模块之前。

今天这篇文章，打算把整个模块导入的全流程进行梳理，从而更清晰地理解模块导入的过程中，Python解释器做了哪些动作，到底发生了什么。

本文的主要内容有：

1、Python中的两大模型

2、命名空间

3、模块导入的全过程及底层细节

Python中的两大模型

在前面的文章中，我们已经多次提到，程序 = 数据结构 + 算法，或者表述为：程序 = 数据的表达 + 数据的处理。而对应到Python中，就是两大模型：数据模型（Data Model）和执行模型（Execution Model）。

数据模型，我们前面已经反复提及，概括来说，就是“一切皆对象”。每个对象都有其id（粗略理解为地址）、内容（对象相关的属性、方法）、类型（type）。

由“一切皆对象”，进而得出函数、类、模块、包也都是对象，自然在Python中也都是一等公民。

执行模型，其实就是通过代码，对数据模型进行读与写，也就是对对象的读与写。要对对象进行读写，我们一般是通过变量名进行的，所以，执行模型的一个核心概念，就是“名称绑定”，也就是将每一个变量名与一个对象进行绑定。在Python中变量名是“标签”而非“盒子”的观点，在前面的文章中已经有所提及，不太理解的，可以翻一下之前的文章。

由于变量是贴在对象上的“标签”，变量名与对象的绑定关系，可以是“多对一”的关系。

执行模型中，一个代码块能够读写的对象，是能够访问到的名称绑定的对象。这些名称和对象的绑定被放到了一个称为“命名空间”的结构中，命名空间可以理解为是一个字典。

所以，执行模型，也可以这样表述为“代码块在命名空间上的执行，对命名空间中的名称所绑定的对象进行读写操作”。

执行模型中，代码块能够执行，名称绑定是前提，但是，能够执行，还需要能够进行名称解析，以及特殊情况下名称绑定的解绑操作。

其中，名称的解析，就涉及到了“作用域”的概念，之前已经介绍过LEGB的规则，这里就不展开了。

之所以介绍执行模型，主要是由于当导入模块时，会对命名空间产生影响。

命名空间

命名空间（namespace）是编程语言中一个很核心的概念，用于组织代码、避免命名冲突。在Python中，命名空间本质上是一个从名称（变量名）到对象的映射关系的绑定，也就是命名空间中记录了变量名、函数名、类名等与实际对象的关联关系。

在Python中，命名空间可以分为四类，分别是：局部命名空间（Local Namespace）、闭包命名空间（Enclosing Namespace）、全局命名空间（Global Namespace）和内置命名空间（Built-in Namespace）。

1、局部命名空间：包含函数和方法内定义的变量和参数，每次函数调用都会创建一个新的局部命名空间。

2、闭包命名空间：包含在嵌套函数中的外层函数中的局部命名空间。

3、全局命名空间：包含当前模块中定义的所有全局变量、函数、类等，当模块被导入时，Python解释器会创建一个全局命名空间。

4、内置命名空间：包含Python解释器启动时加载的内置函数、异常等。比如，print()、len()、int等都在内置命名空间中。

每种命名空间都有自己的生命周期：

1、局部命名空间：从函数调用开始到函数返回结束。

2、闭包命名空间：从外层函数被调用到内层函数执行结束。

3、全局命名空间：从模块被导入或者脚本开始执行到脚本结束。

4、内置命名空间：从Python解释器启动到解释器进程结束。

在Python中，有3个内置函数，可以查看命名空间中的内容：

1、globals()：查看当前全局命名空间的字典

2、locals()：查看当前局部命名空间的字典

3、dir()：返回当前代码所在范围的所有名字列表

模块导入的全过程及底层细节

有了前面关于“执行模型”和“命名空间”的概念，可以帮助我们更好地理解Python中的模块导入。

首先来看下模块导入的全过程：

1、查找模块

当执行import 模块名等类似的操作时，Python解释器首先会在sys.modules字典中查找，如果已经存在，直接使用缓存的模块，避免重复加载。

如果sys.modules模块中不存在，则会检查是否是内置模块，这些模块是C语言编写的，并被编译到了Python解释器中。

如果不是内置模块，Python解释器会在sys.path列表中按顺序进行模块的查找。关于路径的查找顺序，上一篇文章中已经提及，可以自行查阅。

2、编译模块

如果是首次导入，找到的是一个.py文件，Python解释器会将其“编译”为字节码（.pyc）文件，以提高后续执行的加载速度。如果已经存在编译后的字节码文件且没有过期（可以理解为比较.py文件的修改时间与.pyc文件的生成时间），则会直接加载字节码文件。

3、执行模块代码

一旦模块的字节码被加载，Python解释器会创建一个新的模块对象，并执行模块的顶级代码（即未包裹在函数定义或者类定义中的代码）。在执行模块代码时，Python解释器首先会为该模块创建一个独立的全局命名空间，模块中的顶级代码是在该独立的全局命名空间中执行的。

4、更新命名空间

执行完模块的顶级代码后，模块对象会被添加到sys.modules字典中，以便将来可以复用，并且导入的模块名会绑定到当前作用域中的模块对象（根据导入方式的不同，除了模块名与模块对象的绑定之外，还可能涉及到模块中变量、函数等的绑定）

总结

为了更好地理解Python中模块导入的过程及细节，本文首先回顾了Python中的数据模型，然后引入了执行模型的概念。之后，简单介绍了Python中的命名空间，4种命名空间的含义及其生命周期。基于执行模型及命名空间的概念，对Python中的模块导入全过程做了一个系统性的梳理。

在下一篇文章中，将通过实际的代码执行，验证一下Python模块导入、加载的过程。

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