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Python-为什么只需一条语句abba就能直接交换两个变量

jiezi

从接触 Python 时起，我就感觉 Python 的元组解包（unpacking）挺有意思，十分简洁好用。

最不言而喻的例子就是多重赋值，即在一条语句中同时给多个变量赋值：

>>> x, y = 1, 2
>>> print(x, y)  # 后果：1 2

在此例中，赋值操作符“=”号的右侧的两个数字会被存入到一个元组中，即变成 (1,2)，而后再被解包，顺次赋值给“=”号左侧的两个变量。

如果咱们间接写 x = 1,2，而后打印出 x，或者在“=”号右侧写成一个元组，就能证实到这一点：

>>> x = 1, 2
>>> print(x)     # 后果：(1, 2)
>>> x, y = (1, 2)
>>> print(x, y)  # 后果：1 2

一些博客或公众号文章在介绍到这个个性时，通常会顺着举一个例子，即基于两个变量，间接替换它们的值：

>>> x, y = 1, 2
>>> x, y = y, x
>>> print(x, y) # 后果：2 1

一般而言，替换两个变量的操作须要引入第三个变量。情理很简略，如果要替换两个杯子中所装的水，天然会须要第三个容器作为直达。

然而，Python 的写法并不需要借助两头变量，它的模式就跟后面的解包赋值一样。正因为这个模式类似，很多人就误以为 Python 的变量替换操作也是基于解包操作。

然而，事实是否如此呢？

我搜寻了一番，发现有人试图答复过这个问题，然而他们的答复根本不够全面。（当然，有不少是谬误的答案，还有更多人只是知其然，却从未想过要知其所以然）

先把本文的答案放进去吧：Python 的替换变量操作不齐全基于解包操作，有时候是，有时候不是！

有没有感觉这个答案很神奇呢？是不是闻所未闻？！

到底怎么回事呢？先来看看题目中最简略的两个变量的状况，咱们上 dis 大杀器看看编译的字节码：

上图开了两个窗口，能够不便比拟“a,b=b,a”与“a,b=1,2”的不同：

  • “a,b=b,a”操作：两个 LOAD_FAST 是从部分作用域中读取变量的援用，并存入栈中，接着是最要害的 ROT_TWO 操作，它会替换两个变量的援用值，而后两个 STORE_FAST 是将栈中的变量写入部分作用域中。
  • “a,b=1,2”操作：第一步 LOAD_CONST 把“=”号右侧的两个数字作为元组放到栈中，第二步 UNPACK_SEQUENCE 是序列解包，接着把解包后果写入部分作用域的变量上。

很显著，模式类似的两种写法实际上实现的操作并不相同。在替换变量的操作中，并没有装包和解包的步骤！

ROT_TWO 指令是 CPython 解释器实现的对于栈顶两个元素的快捷操作，扭转它们指向的援用对象。

还有两个相似的指令是 ROT_THREE 和 ROT_FOUR，别离是快捷替换三和四个变量（摘自：ceval.c 文件，最新的 3.9 分支）：

预约义的栈顶操作如下：

查看官网文档中对于这几个指令的解释，其中 ROT_FOUR 是 3.8 版本新加的：

  • ROT_TWO

    Swaps the two top-most stack items.

  • ROT_THREE

    Lifts second and third stack item one position up, moves top down to position three.

  • ROT_FOUR

    Lifts second, third and forth stack items one position up, moves top down to position four.
    New in version 3.8.

CPython 应该是认为这几种变量的替换操作很常见，因而才提供了专门的优化指令。就像 [-5,256] 这些小整数被事后放到了整数池里一样。

对于更多变量的替换操作，实际上则会用到后面说的解包操作：

截图中的 BUILD_TUPLE 指令会将给定数量的栈顶元素创立成元组，而后被 UNPACK_SEQUENCE 指令解包，再顺次赋值。

值得一提的是，此处之所以比后面的“a,b=1,2”多出一个 build 操作，是因为每个变量的 LOAD_FAST 须要先独自入栈，无奈间接被组合成 LOAD_CONST 入栈。也就是说，“=”号右侧有变量时，不会呈现前文中的 LOAD_CONST 一个元组的状况。

最初还有一个值得一提的细节，那几个指令是跟栈中元素的数量无关，而不是跟赋值语句中理论替换的变量数无关。看一个例子就明确了：

剖析至此，你应该明确前文中的论断是怎么回事了吧？

咱们略微总结一下：

  • Python 能在一条语句中实现多重赋值，这是利用了序列解包的个性
  • Python 能在一条语句中实现变量替换，不需引入两头变量，在变量数少于 4 个时（3.8 版本起是少于 5 个），CPython 是利用了 ROT_* 指令来替换栈中的元素，当变量数超出时，则是利用了序列解包的个性。
  • 序列解包是 Python 的一大个性，然而在本文的例子中，CPython 解释器在小小的操作中还提供了几个优化的指令，这相对会超出大多数人的认知

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写在最初：本文属于“Python 为什么”系列（Python 猫出品），该系列次要关注 Python 的语法、设计和倒退等话题，以一个个“为什么”式的问题为切入点，试着展示 Python 的迷人魅力。局部话题会推出视频版，请在 B 站收看，观看地址：视频地址

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