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作者 |?櫻雨樓

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引言

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指針（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等語言的一個(gè)非常核心且重要的概念，而引用（Reference）是在指針的基礎(chǔ)上構(gòu)建出的一個(gè)同樣重要的概念。

指針對(duì)于任何一個(gè)編程語言而言都是必須且重要的，雖然 Python 對(duì)指針這一概念進(jìn)行了刻意的模糊與限制，但指針對(duì)于 Python 而言依然是一個(gè)必須進(jìn)行深入討論的話題。

本文基于 C++ 與 Python，討論了 Python 中與指針及引用相關(guān)的一些行為。

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什么是指針？為什么需要指針？

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指針有兩重含義：

（1）指代某種數(shù)據(jù)類型的指針類型，如整形指針類型、指針指針類型

（2）指代一類存放有內(nèi)存地址的變量，即指針變量

指針的這兩重含義是緊密聯(lián)系的：作為一種變量，通過指針可以獲取某個(gè)內(nèi)存地址，從而為訪問此地址上的值做好了準(zhǔn)備；作為一種類型，其決定了內(nèi)存地址的正確偏移長度，其應(yīng)等于當(dāng)前類型的單位內(nèi)存大小。

如果一個(gè)指針缺少指針類型，即 void *，則顯然，其雖然保存了內(nèi)存地址，但這僅僅是一個(gè)起點(diǎn)地址，指針會(huì)因?yàn)闊o法獲知從起點(diǎn)向后進(jìn)行的偏移量，從而拒絕解指針操作；而如果一個(gè)指針缺少地址，即 nullptr，則其根本無法讀取特定位置的內(nèi)存。

指針存在的意義主要有以下幾點(diǎn)：

• 承載通過 malloc、new、allocator 等獲取的動(dòng)態(tài)內(nèi)存

• 使得 pass-by-pointer 成為可能

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pass-by-pointer 的好處包括但不限于：

• 避免對(duì)實(shí)參無意義的值拷貝，大幅提高效率

• 使得對(duì)某個(gè)變量的修改能力不局限于變量自身的作用域

• 使得 swap、移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)、移動(dòng)賦值運(yùn)算等操作可以僅針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的指針進(jìn)行操作，從而避免了對(duì)臨時(shí)對(duì)象、移后源等對(duì)象的整體內(nèi)存操作

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由此可見， 與指針相關(guān)的各操作對(duì)于編程而言都是必須的或十分重要的。

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C++中的引用

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在 C++ 中，引用具有與指針相似的性質(zhì)，但更加隱形與嚴(yán)格。C++ 的引用分為以下兩種：

左值引用

左值引用于其初始化階段綁定到左值，且不存在重新綁定。

左值引用具有與被綁定左值幾乎一樣的性質(zhì)，其唯一的區(qū)別在于 decltype 聲明：

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              int?numA?=?0,?&lrefA?=?numA;??//?Binding?an?lvalue
cout?<<?++lrefA?<<?endl;??????//?Use?the?lvalue?reference?as?lvalue?&?rvalue
decltype(lrefA)?numB?=?1;?????//?Error!
            
          

左值引用常用于 pass-by-reference：

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              void?swap(int?&numA,?int?&numB)
{
????int?tmpNum?=?numA;
????numA?=?numB;
????numB?=?tmpNum;
}

int?main()
{
????int?numA?=?1,?numB?=?2;
????swap(numA,?numB);
????cout?<<?numA?<<?endl?<<?numB?<<?endl;??//?2?1
}
            
          

右值引用

右值引用于其初始化階段綁定到右值，其常用于移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)和移動(dòng)賦值操作。在這些場合中，移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)和移動(dòng)賦值操作通過右值引用接管被移動(dòng)對(duì)象。

右值引用與本文內(nèi)容無關(guān)，故這里不再詳述。

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Python中的引用

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Python不存在引用

由上文討論可知，雖然“引用”對(duì)于 Python 而言是一個(gè)非常常用的術(shù)語，但這顯然是不準(zhǔn)確的——由于 Python 不存在對(duì)左/右值的綁定操作，故不存在左值引用，更不存在右值引用。

Python的指針操作

不難發(fā)現(xiàn)，雖然 Python 沒有引用，但其變量的行為和指針的行為具有高度的相似性，這主要體現(xiàn)在以下方面：

• 在任何情況下（包括賦值、實(shí)參傳遞等）均不存在顯式值拷貝，當(dāng)此種情況發(fā)生時(shí)，只增加了一次引用計(jì)數(shù)

• 變量可以進(jìn)行重綁定（對(duì)應(yīng)于一個(gè)不含頂層 const（top-level const）的指針）

• 在某些情況下（下文將對(duì)此問題進(jìn)行詳細(xì)討論），可通過函數(shù)實(shí)參修改原值

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由此可見， Python變量更類似于（某種殘缺的）指針變量，而不是引用變量。

構(gòu)造函數(shù)返回指針

對(duì)于 Python 的描述，有一句非常常見的話：“一切皆對(duì)象”。

但在這句話中，有一個(gè)很重要的事實(shí)常常被人們忽略：對(duì)象是一個(gè)值，不是一個(gè)指針或引用。

所以，這句話的準(zhǔn)確描述應(yīng)該更正為：“一切皆（某種殘缺的）指針”。雖然修改后的描述很抽象，但這是更準(zhǔn)確的。

而由于對(duì)象從構(gòu)造函數(shù)而來，至此我們可知： Python的構(gòu)造函數(shù)將構(gòu)造匿名對(duì)象，且返回此對(duì)象的一個(gè)指針。

這是 Python 與指針的第一個(gè)重要聯(lián)系。

用代碼描述，對(duì)于Python代碼：

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              sampleNum?=?0
            
          

其不類似于 C++ 代碼：

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              int?sampleNum?=?0;
            
          

而更類似于：

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              int?__tmpNum?=?0,?*sampleNum?=?&__tmpNum;

//?或者：
shared_ptr<int>?sampleNum(new?int(0));
            
          

?__setitems__操作將隱式解指針

Python與指針的另一個(gè)重要聯(lián)系在于 Python 的隱式解指針行為。

雖然 Python 不存在顯式解指針操作，但（有且僅有）__setitems__操作將進(jìn)行隱式解指針，通過此方法對(duì)變量進(jìn)行修改等同于通過解指針操作修改變量原值。

此種性質(zhì)意味著：

1. 任何不涉及__setitems__的操作都將成為指針重綁定。

對(duì)于Python代碼：

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              numList?=?[None]?*?10

#?Rebinding
numList?=?[None]?*?5
            
          

其相當(dāng)于：

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              int?*numList?=?new?int[10];

//?Rebinding
delete[]?numList;
numList?=?new?int[5];
delete[]?numList;
            
          

由此可見，對(duì) numList 的非__setitems__操作，導(dǎo)致 numList 被綁定到了一個(gè)新指針上。

2. 任何涉及__setitems__的操作都將成為解指針操作。

由于 Python 對(duì)哈希表的高度依賴，“涉及__setitems__的操作”在 Python 中實(shí)際上是一個(gè)非常廣泛的行為，這主要包括：

• 對(duì)數(shù)組的索引操作

• 對(duì)哈希表的查找操作

• 涉及__setattr__的操作（由于 Python 將 attribute 存儲(chǔ)在哈希表中，所以__setattr__操作最終將是某種__setitems__操作）

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我們用一個(gè)稍復(fù)雜的例子說明這一點(diǎn)：

對(duì)于以下Python代碼：

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              class?Complex(object):
????def?__init__(self,?real?=?0.,?imag?=?0.):
????????self.real?=?real
????????self.imag?=?imag

????def?__repr__(self):
????????return?'(%.2f,?%.2f)'?%?(self.real,?self.imag)

def?main():
????complexObj?=?Complex(1.,?2.)
????complexObj.real?+=?1
????complexObj.imag?+=?1
????#?(2.00,?3.00)
????print(complexObj)

if?__name__?==?'__main__':
????main()
            
          

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其相當(dāng)于：

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由此可見，無論是 int、float 這種簡單的 Python 類型，還是我們自定義的類，其構(gòu)造行為都類似使用 new 構(gòu)造對(duì)象并返回指針。

且在 Python 中任何涉及“.”和“[]”的操作，都類似于對(duì)指針的“->”或“*”解指針操作。

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后記

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本文探討了 Python 變量與指針、引用兩大概念之間的關(guān)系，主要論證了“Python不存在引用”以及“Python變量的行為類似于某種殘缺的指針”兩個(gè)論點(diǎn)。

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【END】

學(xué)Python?沒找對(duì)路到底有多慘?

https://edu.csdn.net/topic/python115?utm_source=csdn_bw

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