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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 等語言的一個非常核心且重要的概念，而引用（Reference）是在指針的基礎上構建出的一個同樣重要的概念。
指針對于任何一個編程語言而言都是必須且重要的，雖然 Python 對指針這一概念進行了刻意的模糊與限制，但指針對于 Python 而言依然是一個必須進行深入討論的話題。
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）指代某種數據類型的指針類型，如整形指針類型、指針指針類型
（2）指代一類存放有內存地址的變量，即指針變量
指針的這兩重含義是緊密聯系的：作為一種變量，通過指針可以獲取某個內存地址，從而為訪問此地址上的值做好了準備；作為一種類型，其決定了內存地址的正確偏移長度，其應等于當前類型的單位內存大小。
如果一個指針缺少指針類型，即 void *，則顯然，其雖然保存了內存地址，但這僅僅是一個起點地址，指針會因為無法獲知從起點向后進行的偏移量，從而拒絕解指針操作；而如果一個指針缺少地址，即 nullptr，則其根本無法讀取特定位置的內存。
指針存在的意義主要有以下幾點：
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承載通過 malloc、new、allocator 等獲取的動態內存
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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：
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避免對實參無意義的值拷貝，大幅提高效率
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使得對某個變量的修改能力不局限于變量自身的作用域
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使得 swap、移動構造函數、移動賦值運算等操作可以僅針對數據結構內部的指針進行操作，從而避免了對臨時對象、移后源等對象的整體內存操作
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由此可見， 與指針相關的各操作對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，但更加隱形與嚴格。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，其唯一的區別在于 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，其常用于移動構造函數和移動賦值操作。在這些場合中，移動構造函數和移動賦值操作通過右值引用接管被移動對象。
右值引用與本文內容無關，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”對于 Python 而言是一個非常常用的術語，但這顯然是不準確的——由于 Python 不存在對左/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
不難發現，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，這主要體現在以下方面：
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在任何情況下（包括賦值、實參傳遞等）均不存在顯式值拷貝，當此種情況發生時，只增加了一次引用計數
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變量可以進行重綁定（對應于一個不含頂層 const（top-level const）的指針）
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在某些情況下（下文將對此問題進行詳細討論），可通過函數實參修改原值
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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。
構造函數返回指針
對于 Python 的描述，有一句非常常見的話：“一切皆對象”。
但在這句話中，有一個很重要的事實常常被人們忽略：對象是一個值，不是一個指針或引用。
所以，這句話的準確描述應該更正為：“一切皆（某種殘缺的）指針”。雖然修改后的描述很抽象，但這是更準確的。
而由于對象從構造函數而來，至此我們可知： Python的構造函數將構造匿名對象，且返回此對象的一個指針。
這是 Python 與指針的第一個重要聯系。
用代碼描述，對于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與指針的另一個重要聯系在于 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__操作將進行隱式解指針，通過此方法對變量進行修改等同于通過解指針操作修改變量原值。
此種性質意味著：
1. 任何不涉及__setitems__的操作都將成為指針重綁定。
對于Python代碼：
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numList?=?[None]?*?10
#?Rebinding
numList?=?[None]?*?5
其相當于：
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int?*numList?=?new?int[10];
//?Rebinding
delete[]?numList;
numList?=?new?int[5];
delete[]?numList;
由此可見，對 numList 的非__setitems__操作，導致 numList 被綁定到了一個新指針上。
2. 任何涉及__setitems__的操作都將成為解指針操作。
由于 Python 對哈希表的高度依賴，“涉及__setitems__的操作”在 Python 中實際上是一個非常廣泛的行為，這主要包括：
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對數組的索引操作
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對哈希表的查找操作
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涉及__setattr__的操作（由于 Python 將 attribute 存儲在哈希表中，所以__setattr__操作最終將是某種__setitems__操作）
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我們用一個稍復雜的例子說明這一點：
對于以下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，其構造行為都類似使用 new 構造對象并返回指針。
且在 Python 中任何涉及“.”和“[]”的操作，都類似于對指針的“->”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”兩個論點。
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【END】
學Python?沒找對路到底有多慘?
https://edu.csdn.net/topic/python115?utm_source=csdn_bw
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