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

以上是生活随笔為你收集整理的c++中的引用和python中的引用_对比 C++ 和 Python，谈谈指针与引用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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