1. はじめに

変数のスコープをあまり理解していなかったせいでPythonに怒られた。
まず、読み込みの重い処理で、初回のみ読み込むようにしたくて書いたのが以下のようなコードだった。

menu = None

def get_menu():
    if menu is not None:
        return menu
    menu = <メニューを読み込む重い処理がここに入る>
    return menu

しかし、get_menu()を呼び出すと

>>> get_menu()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "<stdin>", line 2, in get_menu
UnboundLocalError: local variable 'menu' referenced before assignment

というエラーが返ってきた。menuはグローバル変数なはずなのにローカル変数として扱われている。何故...

2. global宣言

大前提として、関数内で単純に<変数名> = <代入内容>という形でグローバル変数に代入することはできず、global宣言が必要になるらしい。

var = 0

def func_1():
    print(var)

def func_2():
    var = 2
    print(var)

def func_3():
    global var # グローバル宣言
    var = 3
    print(var)

上記のように3種類の関数を定義し、挙動を見てみると

>>> var
0
>>> func_1()
0 # ここで出力されているvarはグローバル変数
>>> func_2()
2 # ここで出力されているvarはfunc_2内のローカル変数
>>> var
0 # グローバル変数のvarはfunc_2によって変更されていない
>>> func_3()
3 # ここで出力されているvarはグローバル変数
>>> var
3 # グローバル変数のvarがfunc_3によって変更された

つまり、

func_1のように関数内からグローバル変数は当然参照できる
しかし、func_2のようにglobal宣言なしに代入しようとすると、varはグローバル変数とは異なる、新たに定義されたローカル変数となる
func_3のようにglobal宣言を行うと、関数内でもグローバル変数に代入できる

ということになる。

最初のget_menu()関数だと、

menu = <メニューを読み込む重い処理がここに入る>

でglobal宣言なしにmenuに代入しているため、このmenuはグローバル変数ではなく、新たに定義されたローカル変数menuということになる。

しかし、

if menu is not None:

のmenuはローカル変数menuへの代入前に参照しているので、グローバル変数なのでは？という疑問が生じた。そこで、公式ドキュメントを訪ねると

In Python, variables that are only referenced inside a function are implicitly global. If a variable is assigned a value anywhere within the function’s body, it’s assumed to be a local unless explicitly declared as global.（Python では、関数内で参照されるだけの変数は暗黙的にグローバルとなります。関数の本体のどこかで値が変数に代入されたなら、それは明示的にグローバルであると宣言されない限り、ローカルであるとみなされます。）（順に公式ドキュメント英語版・日本語版）

と書いてあった。関数内のどこかにグローバル変数と同名のローカル変数への代入を行っている箇所があれば、たとえ代入前の行であったとしてもその名前の変数はローカル変数とみなされるらしい。

3. 解決策

menu = None

def get_menu():
    global menu
    if menu is not None:
        return menu
    menu = <メニューを読み込む重い処理がここに入る>
    return menu

のようにglobal宣言を追加すればよい。

>>> get_menu() # 初回実行時のみメニューを読み込むので時間がかかる
"メニューの内容"
>>> get_menu() # 2回目以降はすぐに実行完了する
"メニューの内容"

という期待通りの動作をしてくれる。

4. まとめ

global宣言を行うとその変数をグローバル変数として解釈させ、関数内で代入させることができる。
一方、nonlocal宣言というものもあり、こちらは一つ外側のスコープの変数として解釈する宣言らしい。

nonlocal 文は、列挙された識別子がグローバルを除く一つ外側のスコープで先に束縛された変数を参照するようにします。（公式ドキュメント）

global宣言とnonlocal宣言の挙動については、次の記事がわかりやすかったので、globalとnonlocalの動きを具体例で知りたい！という方は是非。

globalとnonlocalの宣言に関係する疑問点を検証してみました | Snow Tree in June

また、スコープの基礎的な話は次の記事が勉強になりました。

［Python入門］関数のローカル変数とスコープ：Python入門（1/3 ページ） - ＠IT

5. 参考

Programming FAQ — Python 3.11.4 documentation
プログラミング FAQ — Python 3.11.4 ドキュメント
 7. 単純文 (simple statement) — Python 3.11.4 ドキュメント