花下貓語(yǔ)：本文是學(xué)習(xí)群內(nèi) 櫻雨樓 小姐姐的投稿。之前已發(fā)布過(guò)她的一篇作品《當(dāng)談?wù)摰鲿r(shí)，我談些什么？》，大受好評(píng)。本文依然是對(duì)比 C++ 與 Python，來(lái)探討編程語(yǔ)言中極其重要的概念。祝大家讀有所獲，學(xué)有所成！

櫻雨樓 | 原創(chuàng)作者

豌豆花下貓 | 編輯潤(rùn)色

本文原創(chuàng)并首發(fā)于公眾號(hào)【Python貓】，未經(jīng)授權(quán)，請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載。

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0 引言

指針（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等語(yǔ)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(yǔ)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。

1 什么是指針？為什么需要指針？

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(guò)指針可以獲取某個(gè)內(nèi)存地址，從而為訪問(wèn)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(guò) malloc、new、allocator 等獲取的動(dòng)態(tài)內(nèi)存
• 使得 pass-by-pointer 成為可能

pass-by-pointer 的好處包括但不限于：

• 避免對(duì)實(shí)參無(wú)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

由此可見(jiàn)，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。

2 C++中的引用

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：

2.1 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：

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：

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(chǎng)合中，移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)和移動(dòng)賦值操作通過(guò)右值引用接管被移動(dòng)對(duì)象。

右值引用與本文內(nèi)容無(wú)關(guān)，故這里不再詳述。

3 Python中的引用

3.1 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(yǔ)，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。

3.2 Python的指針操作

不難發(fā)現(xiàn)，雖然 Python 沒(méi)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(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論），可通過(guò)函數(shù)實(shí)參修改原值

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

3.2.1 構(gòu)造函數(shù)返回指針

對(duì)于 Python 的描述，有一句非常常見(jiàn)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(lái)，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：

sampleNum = 0

其不類似于 C++ 代碼：

int sampleNum = 0;

而更類似于：

int __tmpNum = 0, *sampleNum = &__tmpNum;// 或者： shared_ptr<int> sampleNum(new int(0));

3.2.2 __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(guò)此方法對(duì)變量進(jìn)行修改等同于通過(guò)解指針操作修改變量原值。

此種性質(zhì)意味著：

任何不涉及__setitems__的操作都將成為指針重綁定。

對(duì)于Python代碼：

numList = [None] * 10# Rebinding numList = [None] * 5

其相當(dāng)于：

int *numList = new int[10];// Rebinding delete[] numList; numList = new int[5]; delete[] numList;

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

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）

我們用一個(gè)稍復(fù)雜的例子說(shuō)明這一點(diǎn)：

對(duì)于以下Python代碼：

class Complex(object):def __init__(self, real = 0., imag = 0.):self.real = realself.imag = imagdef __repr__(self):return '(%.2f, %.2f)' % (self.real, self.imag)def main():complexObj = Complex(1., 2.)complexObj.real += 1complexObj.imag += 1# (2.00, 3.00)print(complexObj)if __name__ == '__main__':main()

其相當(dāng)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; }

由此可見(jiàn)，無(wú)論是 int、float 這種簡(jiǎn)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。

4 后記

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)。

所有論點(diǎn)均系作者個(gè)人觀點(diǎn)，如有錯(cuò)誤，恭迎指正。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的对比 C++ 和 Python，谈谈指针与引用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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