Pythonのグローバル変数とnonlocalキーワードとは？

Pythonのプログラムにおいて、変数のスコープ（どこで変数が使えるか）を理解することは、効率的なコード設計に不可欠です。特に、グローバル変数とnonlocalキーワードは、スコープを超えた変数の操作を行うための強力なツールです。

• グローバル変数は、モジュール全体でアクセスできる変数で、関数の外で定義され、プログラム全体で共有されます。
• nonlocalキーワードは、ネストされた関数内で、外側の関数に定義された変数を参照・変更するために使用され、グローバルスコープに影響を与えません。 この記事では、グローバル変数とnonlocalキーワードの使い方や、それぞれがどう異なるかについて詳しく解説します。

グローバル変数の基本

グローバル変数とは？

グローバル変数は、関数やクラスの外部で定義された変数です。グローバル変数は、モジュール全体でアクセス可能であり、関数内からも参照できます。ただし、関数内でグローバル変数の値を変更する場合には、globalキーワードが必要です。

グローバル変数の例

次に、シンプルなグローバル変数の使用例を見てみましょう。

x = 10  # グローバル変数
def print_x():
    print(f"グローバル変数xの値: {x}")
print_x()  # 出力: グローバル変数xの値: 10

この場合、関数print_x内でグローバル変数xが参照されています。関数の外部で定義された変数は、関数内でもそのままアクセスできるため、この例ではxの値が表示されます。

グローバル変数の変更

グローバル変数を関数内で変更したい場合は、globalキーワードを使って、その変数がグローバルスコープに属していることを明示的に宣言する必要があります。

x = 10  # グローバル変数
def modify_x():
    global x  # グローバル変数を変更するためにglobal宣言
    x = 20
print(f"変更前のx: {x}")  # 出力: 変更前のx: 10
modify_x()
print(f"変更後のx: {x}")  # 出力: 変更後のx: 20

globalキーワードを使わずに、関数内でグローバル変数を変更しようとすると、関数内で新しいローカル変数として扱われ、グローバル変数自体は変更されません。

グローバル変数の注意点

グローバル変数は、どこからでもアクセスできるため、プログラムが複雑になると、意図しない場所で値が変更されてしまうリスクがあります。特に大規模なコードベースでは、グローバル変数の多用は避け、必要な場合に限定して使用することが推奨されます。

nonlocalキーワードの基本

nonlocalキーワードとは？

nonlocalキーワードは、ネストされた関数内で、外側の関数に定義された変数を参照・変更するために使用されます。このキーワードを使うことで、ローカルスコープを超えて、外側の関数に定義された変数にアクセスできるようになります。ただし、nonlocalはグローバルスコープの変数には影響を与えません。

nonlocalの使用例

nonlocalキーワードを使った具体例を見てみましょう。

def outer_function():
    x = 5  # エンクロージングスコープの変数
    def inner_function():
        nonlocal x  # 外側の関数の変数を変更
        x = 10
        print(f"inner_functionの中のx: {x}")
    inner_function()
    print(f"outer_functionの中のx: {x}")
outer_function()

出力:

inner_functionの中のx: 10
outer_functionの中のx: 10

この例では、inner_function内でnonlocalを使って、outer_function内の変数xを変更しています。nonlocalキーワードがなければ、xはローカル変数として扱われ、外側の関数には影響を与えません。

nonlocalとグローバル変数の違い

nonlocalキーワードは、外側の関数の変数にのみ影響を与え、グローバルスコープには影響を与えません。一方、globalキーワードは、関数の外側に定義されたグローバル変数に影響を与えます。 次に、nonlocalとglobalの違いを具体例で見てみます。

x = "グローバル変数"
def outer_function():
    x = "エンクロージング変数"
    
    def inner_function():
        global x  # グローバル変数を変更
        x = "グローバル変数が変更された"
    
    inner_function()
    print(f"outer_functionの中のx: {x}")
outer_function()
print(f"グローバルスコープのx: {x}")

出力:

outer_functionの中のx: エンクロージング変数
グローバルスコープのx: グローバル変数が変更された

この例では、globalキーワードを使ってグローバル変数xが変更されましたが、outer_function内の変数xは変更されず、そのままです。nonlocalを使うと、グローバル変数には影響を与えず、エンクロージングスコープの変数だけに作用します。

グローバル変数とnonlocalの使い分け

グローバル変数の変更が必要な場合

プログラム全体で使用される変数や、モジュール全体で共有されるデータを変更する必要がある場合には、globalキーワードを使用します。これにより、関数内からグローバル変数を変更できます。

counter = 0  # グローバル変数
def increment():
    global counter
    counter += 1
increment()
print(counter)  # 出力: 1

外側の関数の変数を変更したい場合

ネストされた関数内で、外側の関数の変数を変更したい場合には、nonlocalキーワードを使います。これにより、ローカルスコープを超えて外側のスコープにある変数にアクセスできます。

def counter_creator():
    count = 0
    
    def increment():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    
    return increment
counter = counter_creator()
print(counter())  # 出力: 1
print(counter())  # 出力: 2

この例では、nonlocalキーワードを使って外側のcount変数を変更しており、関数incrementが呼ばれるたびにcountが更新されます。

グローバル変数とnonlocalの注意点

グローバル変数の使用を控える理由

グローバル変数を多用すると、コードが複雑になるとともに、どこで変数が変更されているのか追跡するのが困難になります。また、予期しない場所で変数が変更されてしまう可能性もあるため、グローバル変数はできるだけ最小限に留めるべきです。

nonlocalの制限

nonlocalは、エンクロージングスコープにしか作用しないため、直接グローバルスコープにはアクセスできません。また、nonlocalキーワードで操作できる変数は、必ず外側の関数で定義されている必要があります。

まとめ

Pythonのグローバル変数とnonlocalキーワードは、スコープを超えた変数操作を行うための重要なツールです。グローバル変数はモジュール全体で共有される変数にアクセスするために使用され、globalキーワードで関数内からも変更可能です。一方、nonlocalキーワードは、ネストされた関数内で外側の関数の変数を操作するために使われます。 これらの概念を理解し、適切に使い分けることで、複雑なスコープを持つプログラムでも明確で安全な変数管理が可能になります。グローバル変数の多用は避け、できるだけローカルスコープやnonlocalを活用することで、コードの保守性を向上させましょう。