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Python exec 内置语句（一文讲透）

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在 Python 编程中，exec 是一个强大但容易被低估的内置语句。它允许开发者动态执行字符串形式的代码片段，这一特性在构建可扩展的应用程序、实现插件系统或处理用户自定义逻辑时尤为重要。对于编程初学者和中级开发者来说，理解 exec 的工作原理及其应用场景，能够显著提升代码设计的灵活性和创造力。本文将通过循序渐进的讲解、生动的比喻和实际案例，帮助读者掌握 exec 的核心用法与注意事项。

一、exec 的基础概念与语法

1.1 什么是 exec？

exec 是 Python 内置的语句（statement），用于执行动态生成的代码字符串。它与 eval 类似，但功能更强大：eval 只能执行表达式并返回结果，而 exec 可以执行完整的语句块（如循环、函数定义等）。

比喻：
可以将 exec 想象为一个“代码指挥官”，它能够接收一段字符串形式的指令（代码），并像人类程序员一样逐行执行这些指令。例如：

code_str = "print('Hello, exec!')"  
exec(code_str)  # 输出：Hello, exec!

1.2 语法结构

exec 的基本语法如下：

exec(object, globals=None, locals=None, /)
  • object：要执行的代码字符串或编译后的代码对象。
  • globals 和 locals：可选参数，用于指定代码执行时的全局和局部作用域。默认情况下，exec 会使用调用者的作用域。

注意：
exec 是语句而非函数，因此在 Python 3.x 中无需加括号（如 exec code_str 是 Python 2 的用法，在 Python 3 中应写成 exec(code_str)）。

二、exec 的核心功能与典型用例

2.1 动态执行代码字符串

exec 最直接的应用场景是执行动态生成的代码。例如，当需要根据用户输入或配置文件中的指令执行操作时：

案例 1：动态执行用户输入的代码

user_code = input("请输入要执行的代码：")  
exec(user_code)

注意：
此案例存在安全风险（稍后会详细讨论），仅用于演示基础用法。

2.2 定义函数或类

通过 exec，可以在运行时动态生成函数或类：

案例 2：动态创建函数

code_str = """  
def greet(name):  
    print(f"你好，{name}！")  
"""  
exec(code_str)  
greet("Alice")  # 输出：你好，Alice！

此示例展示了 exec 可以像程序员一样定义新函数，并将其加入当前作用域。

2.3 作用域控制：globals 和 locals

通过 globals 和 locals 参数，可以精确控制代码执行时的变量作用域。

案例 3：隔离变量污染

my_globals = {}  
my_locals = {}  

code_str = "x = 42"  
exec(code_str, my_globals, my_locals)  

print(my_locals["x"])  # 输出：42  
print("x" in locals())  # 输出：False（当前作用域无 x）

此案例中，x 变量仅存在于 my_locals 中，避免了对全局或当前作用域的污染。

三、exec 的高级应用与技巧

3.1 结合 compile() 优化性能

如果需要多次执行同一段代码，可以先将其编译为代码对象，避免重复解析字符串的开销：

案例 4：编译并多次执行代码

code_str = "print('Hello!')"  
compiled_code = compile(code_str, "<string>", "exec")  

for _ in range(3):  
    exec(compiled_code)

3.2 模块化动态代码

通过 exec 和 import 结合，可以实现类似插件系统的功能。例如，动态加载用户自定义的模块：

案例 5：动态加载插件

with open("plugin_code.py", "r") as f:  
    code_str = f.read()  

exec(code_str, globals())  # 将插件代码加入全局作用域  

if "plugin_function" in globals():  
    plugin_function()

四、exec 的风险与注意事项

4.1 安全风险：代码注入攻击

由于 exec 可以执行任意代码，如果输入未经过滤，可能成为攻击入口。例如，用户输入的代码可能窃取敏感信息或破坏系统：

危险示例：

user_input = "import os; os.system('rm -rf /')"  
exec(user_input)  # 危险！会删除系统文件

解决方案：

  • 沙箱环境：限制代码执行的权限（如禁用危险模块）。
  • 白名单过滤：仅允许执行特定的代码片段。

4.2 作用域污染与变量泄漏

如果未正确管理 globals 和 locals，代码可能意外修改外部变量，导致难以调试的 bug：

案例 6：作用域污染示例

x = 10  
exec("x = 20")  # 默认使用当前作用域  
print(x)  # 输出：20（原变量被修改）

解决方案：
通过隔离 locals 避免污染：

exec("x = 20", {}, {"x": 10})  
print(x)  # 仍输出 10

4.3 性能问题

频繁使用 exec 可能导致性能下降，因为每次执行都需要解析字符串。对于循环中的代码，建议优先使用其他方式（如函数或类）。

五、exec 与 eval 的对比

5.1 核心区别

特性execeval
返回值无（仅执行代码）返回表达式的结果
语法支持支持完整语句（如 for、def）仅支持单个表达式
适用场景动态执行复杂逻辑计算简单表达式的结果

比喻：

  • exec 像是“全功能厨房”，可以烹饪整道菜；
  • eval 则像“微波炉”，只能加热已有的食物。

5.2 示例对比

exec("""  
for i in range(3):  
    print(i)  
""")  

result = eval("2 + 3 * 5")  
print(result)  # 输出：17

六、常见问题解答

Q1：如何避免 exec 的安全风险？

  • 沙箱技术：使用第三方库（如 RestrictedPython）限制代码权限。
  • 输入过滤：仅允许特定的关键词和函数。

Q2：exec 是否支持异步代码？

是的，但需要将代码字符串中的 async 关键字显式声明，例如：

exec("async def my_coroutine(): ...")

Q3：exec 和 globals() 的关系是什么？

exec 默认使用调用者的作用域作为全局作用域，因此修改 globals() 中的变量会影响外部环境。

结论

exec 是 Python 中一个功能强大的工具，它允许开发者突破静态代码的限制，实现动态执行、插件化设计等高级功能。然而，其潜在的安全风险和作用域问题也要求开发者谨慎使用。通过合理控制作用域、过滤输入和结合其他技术（如代码编译），可以最大化 exec 的优势并规避风险。对于希望深入掌握 Python 动态特性的开发者来说，exec 是一个值得深入研究的工具。

最后提醒：
在生产环境中使用 exec 时，务必优先考虑安全性，避免直接执行不可信的输入代码。

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