Область видимости

В монолитной (одномодульной) программе без вложенных функций и без использования ООП может существовать только два типа области видимости: глобальная и локальная. Прочие типы существуют только при наличии в языке определённых синтаксических механизмов.

• Глобальная область видимости — идентификатор доступен во всём тексте программы (во многих языках действует ограничение — только в тексте, находящемся после объявления этого идентификатора).
• Локальная область видимости — идентификатор доступен только внутри определённой функции (процедуры).
• Видимость в пределах модуля может существовать в модульных программах, состоящих из нескольких отдельных фрагментов кода, обычно находящихся в разных файлах. Идентификатор, чьей областью видимости является модуль, доступен из любого кода в пределах данного модуля.
• Пакет или пространство имён. В глобальной области видимости искусственно выделяется поименованная подобласть. Имя «привязывается» к этой части программы и существует только внутри неё. Вне данной области имя либо вообще недоступно, либо доступно ограниченно.

В ООП-языках дополнительно к вышеперечисленным могут поддерживаться специальные ограничения области видимости, действующие только для членов классов (идентификаторов, объявленных внутри класса или относящихся к нему):

• Приватная (личная, закрытая) (англ. private) область видимости означает, что имя доступно только внутри методов своего класса.
• Защищённая (англ. protected) область видимости означает, что имя доступно только внутри своего класса и его классов-потомков.
• Общая (англ. public) область видимости означает, что имя доступно в пределах области видимости, к которой относится его класс.

В простейших случаях область видимости определяется местом объявления идентификатора. В случаях, когда место объявления не может однозначно задать область видимости, применяются специальные уточнения.

• Идентификатор, объявленный вне любого определения функции, процедуры, типа, является глобальным.
• Идентификатор, объявленный внутри определения функции, является локальным в данной функции, то есть его областью видимости является эта функция.
• Идентификатор, являющийся частью определения типа данных, в отсутствие дополнительных уточнений имеет ту же область видимости, что и идентификатор типа, в определение которого он входит.
• В языках, поддерживающих модули, пакеты или пространства имён идентификатор, объявленный вне всех процедур и классов, по умолчанию относится к модулю, пакету или пространству имён, внутри которого находится его объявление. Сами пределы области видимости для пакета или пространства имён указываются с помощью специальных описаний, а модульная область видимости ограничивается обычно текущим файлом исходного текста программы. Особенностью этого типа видимости является то, что язык, как правило, содержит средства, позволяющие сделать идентификатор доступным и вне своего модуля (пакета или пространства имён), то есть «расширить» его область видимости. Для этого должно иметься сочетание двух факторов: содержащий идентификатор модуль должен быть импортирован с помощью специальной команды там, где предполагается его использование, а сам идентификатор при его описании должен быть дополнительно объявлен экспортируемым. Способы объявления идентификатора экспортируемым могут быть различны. Это могут быть специальные команды или модификаторы в описаниях, соглашения об именовании (например, в языке Go экспортируемыми являются идентификаторы пакетной области видимости, начинающиеся на заглавную букву). В ряде языков каждый модуль (пакет) искусственно делится на две части: раздел определений и раздел реализации, которые могут находиться как в пределах одного файла исходного кода (например, в Delphi), так и в разных (например, в языке Модула-2); экспортируемыми являются идентификаторы, объявленные в модуле определений.
• Область видимости идентификатора, объявленного внутри ООП-класса, по умолчанию является либо приватной, либо общей. Иная область видимости придаётся с помощью специального описания (например, в C++ это модификаторы private, public, protected)[2].

Приведённый перечень не исчерпывает всех нюансов определения области видимости, которые могут иметься в конкретном языке программирования. Так, например, возможны различные толкования сочетаний модульной области видимости и объявленной видимости членов ООП-класса. В одних языках (например, C++) объявление личной или защищённой области видимости для члена класса ограничивает доступ к нему из любого кода, не относящегося к методам своего класса. В других (Object Pascal) все члены класса, в том числе личные и защищённые, полностью доступны в пределах того модуля, в котором объявлен класс, а ограничения области видимости действуют только в других модулях, импортирующих данный.

Области видимости в программе естественным образом составляют многоуровневую структуру, в которой одни области входят в состав других. Иерархия областей обычно строится на всех или некоторых уровнях из набора: «глобальная — пакетные — модульные — классов — локальные» (конкретный порядок может несколько отличаться в разных языках).

Пакеты и пространства имён могут иметь несколько уровней вложенности, соответственно, вложенными будут и их области видимости. Отношения областей видимости модулей и классов могут сильно отличаться в разных языках. Локальные пространства имён также могут быть вложенными, причём даже в тех случаях, когда язык не поддерживает вложенные функции и процедуры. Так, например, в языке C++ вложенных функций нет, но каждый составной оператор (содержащий набор команд, заключённый в фигурные скобки) образует собственную локальную область видимости, в которой возможно объявление своих переменных.

Иерархическая структура позволяет разрешать неоднозначности, которые возникают, когда один и тот же идентификатор используется в программе более чем в одном значении. Поиск нужного объекта всегда начинается с той области видимости, в которой располагается обращающийся к идентификатору код. Если в данной области видимости находится объект с нужным идентификатором, то именно он и используется. Если такового нет, транслятор продолжает поиск среди идентификаторов, видимых в объемлющей области видимости, если его нет и там — в следующей по уровню иерархии.

program Example1;
var 
  a,b,c: Integer; (* Глобальные переменные. *)

  procedure f1;
  var b,c: Integer  (* Локальные переменные процедуры f1. *)
  begin
    a := 10;   (* Изменяет глобальную a. *)
    b := 20;   (* Изменяет локальную b. *)
    c := 30;   (* Изменяет локальную с. *)
    writeln('  4:  ', a, ',', b, ',', c);
  end;

  procedure f2;
  var b,c: Integer (* Локальные переменные процедуры f2. *)
    procedure f21;
    var c: Integer  (* Локальная переменная процедуры f21. *)
    begin
      a := 1000;  (* Изменяет глобальную a. *)
      b := 2000;  (* Изменяет локальную b процедуры f2. *)
      c := 3000;  (* Изменяет локальную c процедуры f21.*)
      writeln('  5:  ', a, ',', b, ',', c);
    end;
  begin
    a := 100; (* Изменяет глобальную a. *)
    b := 200; (* Изменяет локальную b. *)
    c := 300; (* Изменяет локальную c. *)
    writeln('  6:  ', a, ',', b, ',', c);
    f21;
    writeln('  7:  ', a, ',', b, ',', c);
  end;
begin
  (* Инициализация глобальных переменных. *)
  a := 1; 
  b := 2;
  c := 3;
  writeln('  1:  ', a, ',', b, ',', c);
  f1;
  writeln('  2:  ', a, ',', b, ',', c);
  f2;
  writeln('  3:  ', a, ',', b, ',', c);
end.

Так, при запуске приведённой выше программы на языке Паскаль будет получен следующий вывод:

 1:  1,2,3       
 4:  10,20,30
 2:  10,2,3      
 6:  100,200,300
 5:  1000,2000,3000
 7:  1000,2000,300
 3:  1000,2,3    

В функции f1 переменные b и c находятся в локальной области видимости, поэтому их изменения не затрагивают одноимённые глобальные переменные. Функция f21 содержит в своей локальной области видимости только переменную c, поэтому она изменяет и глобальную a, и b, локальную в объемлющей функции f2.

Использование локальных переменных — имеющих ограниченную область видимости и существующих лишь внутри текущей функции — помогает избежать конфликта имён между двумя переменными с одинаковыми именами. Однако существует два очень разных подхода к вопросу о том, что значит «быть внутри» функции и, соответственно, два варианта реализации локальной области видимости:

• лексическая область видимости, или лексический контекст (англ. lexical scope), или лексическое (статическое) связывание (англ. lexical (static) binding): локальная область видимости функции ограничена текстом определения этой функции (имя переменной имеет значение внутри тела функции и считается неопределённым за его пределами).
• динамическая область видимости, или динамический контекст (англ. dynamic scope), или динамическое связывание (англ. dynamic binding): локальная область видимости ограничена временем исполнения функции (имя доступно, пока функция выполняется, и исчезает, когда функция возвращает управление вызвавшему её коду).

Для «чистых» функций, которые оперируют только своими параметрами и локальными переменными, лексическая и динамическая области видимости всегда совпадают. Проблемы возникают, когда функция использует внешние имена, например, глобальные переменные или локальные переменные функций, в которые она входит или из которых вызывается. Так, если функция f вызывает не вложенную в неё функцию g, то при лексическом подходе функция g не имеет доступа к локальным переменным функции f. При динамическом же подходе функция g будет иметь доступ к локальным переменным функции f, поскольку g была вызвана во время работы f.

Например, рассмотрим следующую программу:

x=1
function g () { echo $x ; x=2 ; }
function f () { local x=3 ; g ; }
f # выведет 1 или 3?
echo $x # выведет 1 или 2?

Функция g() выводит и изменяет значение переменной x, но эта переменная не является в g() ни параметром, ни локальной переменной, то есть она должна быть связана со значением из области видимости, в которую входит g(). Если язык, на котором написана программа, использует лексические области видимости, то имя «x» внутри g() должно быть связано с глобальной переменной x. Функция g(), вызванная из f(), выведет первоначальное значение глобальной х, после чего поменяет его, и изменённое значение будет выведено последней строкой программы. То есть программа выведет сначала 1, затем 2. Изменения локальной x в тексте функции f() на этом выводе никак не отразятся, так как эта переменная не видна ни в глобальной области, ни в функции g().

Если же язык использует динамические области видимости, то имя «x» внутри g() связывается с локальной переменной x функции f(), поскольку g() вызывается изнутри f() и входит в её область видимости. Здесь функция g() выведет локальную переменную x функции f() и изменит её же, а на значении глобальной x всё это никак не скажется, поэтому программа выведет сначала 3, затем 1. Поскольку в данном случае программа написана на bash, который использует динамический подход, в реальности именно так и произойдёт.

И лексическое, и динамическое связывание имеют свои положительные и отрицательные стороны. Практически выбор между тем и другим разработчик делает исходя как из собственных предпочтений, так и из характера проектируемого языка программирования. Большинство типичных императивных языков высокого уровня, изначально рассчитанных на использование компилятора (в код целевой платформы или в байт-код виртуальной машины, не принципиально), реализуют статическую (лексическую) область видимости, так как она удобнее реализуется в компиляторе. Компилятор работает с лексическим контекстом, который статичен и не меняется при исполнении программы, и, обрабатывая обращение к имени, он может легко определить адрес в памяти, где располагается связанный с именем объект. Динамический контекст недоступен компилятору (так как он может меняться в ходе исполнения программы, ведь одна и та же функция может вызываться во множестве мест, причём не всегда явно), так что для обеспечения динамической области видимости компилятор должен добавить в код динамическую поддержку определения объекта, на который ссылается идентификатор. Это возможно, но снижает скорость работы программы, требует дополнительной памяти и усложняет компилятор.

В случае с интерпретируемыми языками (например, скриптовыми) ситуация принципиально иная. Интерпретатор обрабатывает текст программы непосредственно в момент исполнения и содержит внутренние структуры поддержки исполнения, в том числе таблицы имён переменных и функций с реальными значениями и адресами объектов. Интерпретатору проще и быстрее выполнить динамическое связывание (простым линейным поиском в таблице идентификаторов), чем постоянно отслеживать лексическую область видимости. Поэтому интерпретируемые языки чаще поддерживают динамическое связывание имён.

В рамках как динамического, так и лексического подхода к связыванию имён могут быть нюансы, связанные с особенностями конкретного языка программирования или даже его реализации. В качестве примера рассмотрим два Си-подобных языка программирования: JavaScript и Go. Языки синтаксически довольно близки и оба используют лексическую область видимости, но, тем не менее, различаются деталями её реализации.

var scope = "global"; 
function f() {
    alert(scope); // ?
    var scope = "local";
    alert(scope);   
}

var scope = "global"
func f() {
	fmt.Println(scope) // ?
	var scope = "local"
	fmt.Println(scope)
}

function f () { 
	var x = 3; 
	alert(x);
	for (var i = 10; i < 30; i+=10) {
		var x = i;
     	alert(x);
	}
	alert(x); // ?
}

func f() {
	var x = 3
	fmt.Println(x)
	for i := 10; i < 30; i += 10 {
		var x = i
		fmt.Println(x)
	}
	fmt.Println(x) // ?
}

Не следует отождествлять видимость идентификатора с существованием значения, с которым данный идентификатор связан. На соотношение видимости имени и существования объекта влияет логика программы и класс памяти объекта. Далее несколько типичных примеров.

• Для переменных, память под которые выделяется и освобождается динамически (в куче), возможно любое соотношение видимости и существования. Переменная может быть объявлена и затем инициализирована, тогда объект, соответствующий имени, фактически появится позже вхождения в область видимости. Но объект может быть создан заранее, сохранён и затем присвоен переменной, то есть появиться раньше. То же и с удалением: после вызова команды удаления для переменной, связанной с динамическим объектом, сама переменная остаётся видимой, но её значение не существует, а обращение к нему приведёт к непредсказуемым результатам. С другой стороны, если команда удаления не вызвана, то объект в динамической памяти может продолжать существовать и после того, как ссылающаяся на него переменная вышла из области видимости.
• Для локальных переменных со статическим классом памяти (в языках Си и C++) значение появляется (логически) в момент запуска программы. При этом имя находится в области видимости только при исполнении содержащей его функции. Причём в промежутках между функциями значение сохраняется.
• Автоматические (в терминологии Си) переменные, создаваемые при входе в функцию и уничтожаемые при выходе, существуют в период времени, когда их имя видно. То есть для них времена доступности и существования практически можно считать совпадающими.