关于python:论Python与指针

0 引言

指针（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等语言的一个十分外围且重要的概念，而援用（Reference）是在指针的根底上构建出的一个同样重要的概念。

指针对于任何一个编程语言而言都是必须且重要的，尽管 Python 对指针这一概念进行了刻意的含糊与限度，但指针对于 Python 而言仍然是一个必须进行深刻探讨的话题。

本文基于 C ++ 与 Python，探讨了 Python 中与指针及援用相干的一些行为。

1 什么是指针？咱们为什么须要指针？

指针有两种含意：

1. 指代某种数据类型的指针类型，如整形指针类型，指针指针类型
2. 指代一类寄存有内存地址的变量，即指针变量

指针的这两种含意是缺一不可的：作为一种变量，通过指针能够获取某个内存地址，从而为拜访此地址上的值做好了筹备；作为一种类型，其决定了内存地址的正确偏移长度，其应等于以后类型的单位内存大小。如果一个指针短少指针类型，即 void *，则显然，其尽管保留了内存地址，但这仅仅是一个终点地址，指针会因为无奈获知从终点向后进行的偏移量从而回绝解指针操作；而如果一个指针短少地址，即 nullptr，则其根本无法读取特定地位的内存。

指针存在的意义次要有以下几点：

1. 承载通过 malloc、new、allocator 等获取的动态内存
2. 使得 pass-by-pointer 成为可能

pass-by-pointer 的益处包含但不限于以下几点：

1. 防止对实参无意义的值拷贝，大幅提高效率
2. 使得对某个变量的批改能力不局限于变量本身作用域
3. 使得 swap、挪动构造函数、挪动赋值运算等操作能够仅针对数据结构外部的指针进行操作，从而防止了对长期对象、移后源等对象的整体内存操作

由此可见，与指针相干的各操作对于编程而言都是必须的或非常重要的。

2 C++ 中的援用

在 C ++ 中，援用具备与指针类似的性质，但更加隐形与严格。C++ 的援用分为以下两种：

2.1 左值援用

左值援用于其初始化阶段绑定到左值，且不存在从新绑定。左值援用具备与被绑定左值简直一样的性质，其惟一的区别在于 decltype 申明：

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

左值援用罕用于 pass-by-reference：

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
}

2.2 右值援用

右值援用于其初始化阶段绑定到右值，其罕用于挪动构造函数和挪动赋值操作。在这些场合中，挪动构造函数和挪动赋值操作通过右值援用接管被挪动对象。

右值援用与本文内容无关，故这里不再详述。

3 Python 中的援用

3.1 Python 不存在援用

由上文探讨可知，尽管“援用”对于 Python 而言是一个十分罕用的术语，但这显然是不精确的。因为 Python 不存在（对左 / 右值的）绑定操作，故不存在左值援用，更不存在右值援用。此外，术语“可变对象（mutable object）”与“不可变对象（immutable object）”也是有失精确的。

3.2 Python 的指针操作

不难发现，尽管 Python 没有援用，但其变量的行为和指针的行为具备高度的相似性，这次要体现在以下方面：

1. 在任何状况下（包含赋值、实参传递等）均不存在显式值拷贝，当此种状况产生时，只减少了一次援用计数
2. 变量能够进行重绑定（对应于一个不含顶层 const（top-level const）的指针）
3. 在某些状况下（下文将对此问题进行具体探讨），可通过函数实参批改原值

由此可见，Python 变量更相似于（某种完好的）指针变量，而不是援用变量。

3.2.1 构造函数返回指针

对于 Python 的形容中有一句十分常见的话：“所有皆对象”。但在这句话中，有一个很重要的事实经常被人们疏忽：对象是一个值，不是一个指针或援用。所以，这句话的精确形容应该更正为：“所有皆（某种完好的）指针”，尽管批改后的形容很形象，但这是更精确的。

而因为对象从构造函数而来，至此咱们可知：Python 的构造函数将结构匿名对象，且返回此对象的一个指针。这是 Python 与指针的第一个重要分割。

代码形容如下：

对于 Python 代码：

sampleNum = 0

其不相似于 C ++ 代码：

int sampleNum = 0;

而更相似于：

int __tmpNum = 0, *sampleNum = &__tmpNum;

或：

shared_ptr<int> sampleNum(new int(0));

3.2.2 __setitems__操作将隐式解指针

Python 与指针的另一个重要分割在于 Python 的隐式解指针行为。尽管 Python 不存在显式解指针操作，但（有且仅有）__setitems__操作将进行隐式解指针，通过此办法对变量进行批改等同于通过解指针操作批改变量原值。此种性质意味着：

1. 任何不波及__setitems__的操作都将成为指针重绑定

对于 Python 代码：

numList = [None] * 10

# Rebinding
numList = [None] * 5

其相当于：

int *numList = new int[10];

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

delete[] numList;

由此可见，对 numList 的非__setitems__操作导致 numList 被绑定到了一个新指针上。

1. 任何波及__setitems__的操作都将成为解指针操作

因为 Python 对哈希表的高度依赖，“波及__setitems__的操作”在 Python 中实际上是一个十分宽泛的行为，这次要包含：

（1）对数组的索引操作

（2）对哈希表的查找操作

（3）波及__setattr__的操作（因为 Python 将 attribute 存储在哈希表中，所以__setattr__操作最终将是某种__setitems__操作）

咱们用一个稍简单的例子阐明这一点：

对于以下 Python 代码：

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()

其相当于：

class Complex
{
public:
    double real, imag;
    Complex(double _real = 0., double _imag = 0.): real(_real), imag(_imag) {}};

ostream &operator<<(ostream &os, const Complex &complexObj)
{return os << "(" << complexObj.real << "," << complexObj.imag << ")";
}

int main()
{Complex *complexObj = new Complex(1., 2.);

    complexObj->real++;
    complexObj->imag++;

    cout << *complexObj << endl;

    delete complexObj;

    return 0;
}

由此可见，无论是 int，float 这种简略的 Python 类型，还是咱们自定义的类，其结构行为都相似应用 new 结构对象并返回指针。且在 Python 中任何波及“.”和“[]”的操作，都相似于对指针的“->”或“*”解指针操作。

4 后记

本文探讨了 Python 变量与指针、援用两大概念之间的关系，次要论证了“Python 不存在援用”以及“Python 变量的行为相似于某种完好的指针”两个论点。
所有论点均系作者个人观点，如有谬误，恭迎斧正。

樱雨楼
2019.7 于苏州