c++中的引用和python中的引用_对比 C++ 和 Python,谈谈指针与引用
作者 |?櫻雨樓
引言
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。
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:
承載通過 malloc、new、allocator 等獲取的動態內存
使得 pass-by-pointer 成為可能
pass-by-pointer 的好處包括但不限于:
避免對實參無意義的值拷貝,大幅提高效率
使得對某個變量的修改能力不局限于變量自身的作用域
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
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。
C++中的引用
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:
int?numA?=?0,?&lrefA?=?numA;??//?Binding?an?lvalue
cout?<
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?<
}
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。
Python中的引用
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:
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
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)
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
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:
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?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:
numList?=?[None]?*?10
#?Rebinding
numList?=?[None]?*?5
其相當于:
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:
對數組的索引操作
對哈希表的查找操作
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)
我們用一個稍復雜的例子說明這一點:
對于以下Python代碼:
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()
其相當于:
class?Complex
{
public:
double?real,?imag;
Complex(double?_real?=?0.,?double?_imag?=?0.):?real(_real),?imag(_imag)?{}
};
ostream?&operator<
{
return?os?<
}
int?main(){
Complex?*complexObj?=?new?Complex(1.,?2.);
complexObj->real++;
complexObj->imag++;
cout?<
delete?complexObj;
return?0;
}
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。
后記
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。
【END】
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總結
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