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Python功能完美的宝库——内置的强大“武器库”builtins

news 2025/3/20 9:10:01

builtins模块包含了Python大量的内置对象（函数、异常和类型等），她是Python的内置武器库，堪称功能完美的宝库。

笔记模板由python脚本于2025-03-19 08:16:27创建，本篇笔记适合喜欢探究python的coder翻阅。

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python2x中名“builtin” 强大“武器库” （python3x更为“builtins”）

本文质量分：

【 $96$ 】
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🔍 Python.builtins 探秘
- 1、命名演化史
- - 1.1 builtins语义
  - 1.2 builtins命名演化史
- 2. 模块功能解剖
- - 2.1 核心组件
  - 2.2 功能分类
  - 2.3 常见对象
- 3. 黑魔法实验室
- - 3.1 覆盖内置对象
  - 3.2 创建沙箱环境
- 4. 最佳实践
- 5. 冷知识
- 6、builtins名称助记拆解
- 附：“沙箱环境”代码解读

🔍 Python.builtins 探秘

“ $b u i l t i n s$ ” —— Python的内置武器库

1、命名演化史

1.1 builtins语义

builtins在不同语境下可能有不同的含义，具体取决于上下文。以下是常见的几种解释：

$🇦$ 日常英语中的含义
- Built-ins（通常带连字符）是一个普通英语词汇，指“内置的东西”或“固定安装的组件”。
- 例子：
  - 家具中的内置柜子 → “built-in cabinets”
  - 厨房中的内置烤箱 → “built-in oven”
  - 软件中的内置功能 → “built-in features”

$🇧$ 编程中的 builtins（Python 专用）
- 在 Python 中，builtins 是一个内置模块（Python 3 中为 builtins，Python 2 中为 __builtin__），包含所有无需导入即可直接使用的函数、异常和对象。
- 核心功能：
  - 提供基础函数（如 print(), len()）。
  - 内置异常（如 ValueError, TypeError）。
  - 基本数据类型（如 int, str, list）。
- 示例：
```
# 直接使用内置函数
print("Hello")  # 来自 builtins 模块
```

$🇨$ 其他编程语言中的类似概念
- 几乎所有编程语言都有类似的内置功能，但名称可能不同：
  - JavaScript：全局对象（如 Math, Array, JSON）。
  - C/C++：标准库函数（如 printf(), malloc()）。
  - Shell 脚本：内置命令（如 cd, echo）。

$🇩$ 计算机科学中的广义概念
- 内置（Built-in） 泛指语言或系统中默认提供的功能，无需额外安装或定义即可使用。
- 例子：
  - 数据库的内置函数（如 SQL 的 COUNT(), SUM()）。
  - 操作系统内置命令（如 Windows 的 dir，Linux 的 ls）。

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1.2 builtins命名演化史

$🇦$ 命名演化史
从语言学的角度看，builtins的命名经历了有趣的演变：

阶段	形态	意义隐喻
动词	build in	功能嵌入的动作
形容词	built-in	已完成的内置状态
复数化	built-ins	多个内置功能的集合
代码实体	builtins	Python3的模块命名

$🇧$ Python版本差异
- Python2：__builtin__（单数形式，魔法属性）
- Python3：builtins（复数形式，显式模块）

注意： 拼写变体 - 正确拼写： - Python 模块名：builtins（Python 3）。 - 日常英语：通常写作 built-in（带连字符，可作形容词或名词）。

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2. 模块功能解剖

在Python中，builtins模块包含了所有内置的函数、异常和对象。这些内置功能在Python启动时自动加载，无需显式导入即可使用。

2.1 核心组件

import builtins# 查看所有内置成员
print([item for item in dir(builtins) if not item.startswith('__')])

典型输出（Python3.11）：


['ArithmeticError', 'AssertionError', ..., 'zip']

包含157个可直接访问的内置成员（不同版本可能有差异）

2.2 功能分类

类别	示例	作用域
基础函数	`print()`, `len()`, `type()`	全局可用
异常体系	`Exception`, `ValueError`	异常处理基础
类型对象	`int`, `str`, `dict`	类型系统基石
常量	`True`, `False`, `None`	逻辑控制基础

2.3 常见对象

以下是一些常见的builtins模块中的内容：

内置函数：
- print()：打印输出。
- len()：返回对象的长度。
- type()：返回对象的类型。
- int(), float(), str(), list(), dict()：类型转换函数。
- range()：生成一个整数序列。
- sum()：计算序列的和。
- min(), max()：返回序列中的最小值和最大值。
- abs()：返回绝对值。
- round()：四舍五入。

内置异常：
- Exception：所有异常的基类。
- TypeError：类型错误。
- ValueError：值错误。
- IndexError：索引错误。
- KeyError：键错误。
- FileNotFoundError：文件未找到错误。

内置常量：
- True, False：布尔值。
- None：表示空值或无值。

内置对象：
- object：所有类的基类。
- int, float, str, list, dict：内置数据类型。

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3. 黑魔法实验室

3.1 覆盖内置对象

用自定义对象，覆盖Python对象，是一个比较危险的操作，需谨慎！🧐


# 重定义print函数（请勿在生产环境使用！）
builtins.print = lambda *args: os.system("say '喵喵喵~'")print("Hello World")  # 实际会执行系统命令播放猫叫

3.2 创建沙箱环境


# 使用__builtins__副本保证安全
safe_builtins = {k: v for k, v in __builtins__.__dict__.items() if k not in ('__import__', 'open')}exec("print('安全操作')", {'__builtins__': safe_builtins})  # ✅ 允许
exec("open('test.txt')", {'__builtins__': safe_builtins})  # 🚫 触发NameError

“沙箱环境”代码解读

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4. 最佳实践

避免直接修改
修改builtins如同更改物理定律，可能导致灾难性后果

利用反射机制


def is_builtin(obj):return obj.__module__ == 'builtins'print(is_builtin(print))  # True

版本兼容技巧


try:import builtins  # Python3
except ImportError:import __builtin__ as builtins  # Python2

5. 冷知识

__builtins__是CPython实现细节，不同环境下表现可能不同：
- 在模块中：指向builtins模块
- 在__main__中：指向builtins.__dict__

内置函数的执行速度比普通函数快约20%（因跳过名称查找）

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6、builtins名称助记拆解

我：

build in -> build in s -> built in s -> built-ins -> builtins


build in -> build in s -> built in s -> built-ins -> builtins
Python之builtins名称演化：内建、多个内建、已（build变过去分词形式）多个内建、组合单词、模块名称。🤗🤗

DeepSeek：

你的拆解非常有趣且富有创意！🤓 我将结合 Python 的历史和语言演化，用「拟人化」的方式解释 builtins 的名称演变过程：

$A$ . 内建（Build in → Built-in）**
- 原始形态：动词短语 build in（嵌入、内置）。
- 语法变身：
  - 动词变过去分词 → built（已构建的）
  - 组合为形容词 → built-in（已内置的）。
- Python 中的意义：
  代表语言原生自带的功能（如 print()），无需用户额外定义。

$B$ . 多个内建（Built-in + s → Built-ins）**
- 复数化：
  - 单个功能是 built-in，但语言有多个内置功能 → 加 s 表复数。
  - 书写规范：连字符保留 → built-ins。
- Python 的隐喻：
  所有内置函数、异常、类型的集合，像一个工具箱里的工具集合。

$C$ . 模块名称（Built-ins → builtins）**
- 编程化改造：
  - 去掉连字符（编程中变量名通常不用连字符） → builtins。
  - 全小写（Python 模块命名惯例）。
- Python 的正式命名：
  - Python 3 中模块名称为 builtins（Python 2 是 __builtin__）。
  - 该模块是所有内置功能的容器，像一个隐藏的仓库。

拟人化总结

想象 builtins 的诞生过程：

1️⃣ 最初它是一个动词（build in），描述「将功能嵌入语言」。
2️⃣ 后来它变成了形容词（built-in），表示「已经嵌入的功能」。
3️⃣ 随着功能越来越多，它变成了复数（built-ins），代表「一群内置工具」。
4️⃣ 最后为了适应代码世界的规则，它脱下连字符的外衣，变成模块名 builtins，成为 Python 的内置工具库管理员。

彩蛋：Python 2 vs Python 3**

Python 2：模块名为 __builtin__（单数，强调「单个内置空间」）。
Python 3：更名为 builtins（复数，更符合实际——内置功能是多个的集合）。

这种命名变化也体现了 Python 设计理念的演进：从「隐含的魔法」到「明确的表达」。🎩✨

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附：“沙箱环境”代码解读

以下是代码的逐层解析：


# 创建安全的 builtins 副本（排除危险函数）
safe_builtins = {k: v for k, v in __builtins__.__dict__.items() if k not in ('__import__', 'open')}# 测试安全执行
exec("print('安全操作')", {'__builtins__': safe_builtins})  # ✅ 允许
exec("open('test.txt')", {'__builtins__': safe_builtins})  # 🚫 触发NameError

代码解析层级

第 1 层：安全沙箱原理
通过限制代码执行环境的内置功能，防止危险操作（如文件读写、模块导入）。

第 2 层：关键组件

组件	作用
`__builtins__`	Python 内置模块的引用（在模块中指向 `builtins` 模块的字典形式）
`exec()`	动态执行字符串代码，可自定义全局命名空间
自定义命名空间	通过字典传递 `{'__builtins__': safe_builtins}` 限制可访问的内置函数

第 3 层：代码执行流程

过滤内置函数


# 原始内置函数字典 → 过滤后的安全字典
__builtins__.__dict__ → {'abs': <func>, ..., 'print': <func>}  # 移除 __import__ 和 open

执行安全代码


exec("print(...)", {'__builtins__': safe_builtins})
# 解释器查找 print 的顺序：
# 1. 当前代码的局部作用域 → 无
# 2. 自定义全局作用域的 __builtins__ → 找到 print

拦截危险操作


exec("open(...)", {'__builtins__': safe_builtins})
# 解释器查找 open 的顺序：
# 1. 当前代码的局部作用域 → 无
# 2. 自定义全局作用域的 __builtins__ → 无 open → 触发 NameError

第 4 层：技术细节
- __builtins__ 的双重身份
  - 在模块层级：指向 builtins 模块的字典形式（builtins.__dict__）
  - 在函数/类内部：是 builtins 模块的引用（需通过 __builtins__.__dict__ 访问字典）
- exec 的命名空间机制
```
exec(code, globals_dict, locals_dict)
```
- 若 globals_dict 包含 __builtins__ 键，则使用该值作为内置模块
- 若未显式指定，默认继承当前环境的 __builtins__
- 安全风险扩展
  尽管移除了 open 和 __import__，仍存在潜在风险：
```
# 仍可通过其他方式突破限制：exec("os = (lambda: [].__class__.__base__.__subclasses__()[132]())()", safe_env)exec("os.system('rm -rf /')", safe_env)  # 通过回溯基类获取 os 模块
```
提示：要实现真正的安全沙箱，建议使用专用库（如 PySandbox 或 RestrictedPython）。

代码可视化

通过这种机制，可以实现基础级别的代码安全隔离。

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