Python進階 - 對象，名字以及綁定

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Python進階 對象，名字以及綁定 1、一切皆對象 哲學： Python中一切皆對象 1.1 數據模型 對象，值以及類型 對象是 對數據的抽象。 程式中所有的數據都是對象或對象之間的關係表示的。(在某種意義上，為順應馮·諾依曼“存儲式電腦”的模型， 中的代碼也是對象。) 中每一個對象都有一個身份 ...


Python進階 - 對象，名字以及綁定

1、一切皆對象

Python哲學：

Python中一切皆對象

1.1 數據模型-對象，值以及類型

對象是Python對數據的抽象。Python程式中所有的數據都是對象或對象之間的關係表示的。(在某種意義上，為順應馮·諾依曼“存儲式電腦”的模型，Python中的代碼也是對象。)

Python中每一個對象都有一個身份標識，一個值以及一個類型。對象創建後，其身份標識絕對不會改變；可以把身份標識當做對象在記憶體中的地址。is操作符比較兩個對象的身份標識；id()函數返回表示對象身份標識的整數。

CPython實現細節： 在CPython解釋器的實現中，id(x)函數返回存儲x的記憶體地址

對象的類型決定了對象支持的操作(例如，對象有長度麽？)，同時也決定了該類型對象可能的值。type()函數返回對象的類型(這個類型本身也是一個對象)。與其身份標識一樣，對象的類型也是不可改變的[1]。

一些對象的值可以改變。可改變值的對象也稱作可變的(mutable)；一旦創建，值恆定的對象也叫做 不可變的(immutable)。(當不可變容器對象中包含對可變對象的引用時，可變對象值改變時，這個不可變容器對象值也被改變了；然而，不可變容器對象仍被認為是不可變的，因為對象包含的值集合確實是不可改變的。因此，不可變性不是嚴格等同於擁有不可變的值，它很微妙。) (譯註：首先不可變容器對象的值是一個集合，集合中包含了對其他對象的引用；那麼這些引用可以看做地址，即使地址指向的內容改變了，集合中的地址本身是沒有改變的。所以不可變容器對象還是不可變對象。) 對象的可變性取決於其類型；例如，數字，字元串和元組是不可變的，但字典和列表是可變的。

對象從不顯式銷毀；當對象不可達時會被垃圾回收(譯註：對象沒有引用了)。一種解釋器實現允許垃圾回收延時或者直接忽略——這取決於垃圾回收是如何實現的，只要沒有可達對象被回收。

CPython實現細節： CPython解釋器實現使用引用計數模式延時探測迴圈鏈接垃圾，這種方式可回收大多數不可達對象，但並不能保證迴圈引用的垃圾被回收。查看gc模塊的文檔瞭解控制迴圈垃圾回收的更多信息。其他解釋器實現與CPython不同，CPython實現將來也許會改變。因此不能依賴垃圾回收器來回收不可達對象(因此應該總是顯式關閉文件對象。)。

需要註意，使用工具的調試跟蹤功能可能會導致應該被回收的對象一直存活，使用try...except語句捕獲異常也可以保持對象的存活。

一些對象引用瞭如文件或者視窗的外部資源。不言而喻持有資源的對象被垃圾回收後，資源也會被釋放，但因為沒有機制保證垃圾回收一定會發生，這些資源持有對象也提供了顯式釋放外部資源的方式，通常使用close()方法。強烈推薦在程式中顯式釋放資源。try...finally語句和with語句為釋放資源提供了便利。

一些對象包含對其他對象的引用，這些對象被稱作 容器。元組，列表和字典都是容器。引用的容器值的一部分。大多數情況下，談論容器的值時，我們暗指容器包含的對象值集合，而不是對象的身份標識集合；然而，談論容器的可變性時，我們暗指容器包含的對象的身份標識。因此，如果不可變對象(如元組)包含對可變對象的引用，可變對象改變時，其值也改變了。

類型影響對象的絕大多數行為。在某些情況下甚至對象的身份標識的重要性也受到影響：對於不可變類型，計算新值的操作實際上可能會返回已存在的，值和類型一樣的對象的引用，然而對於可變對象來說這是不可能的。例如，語句a = 1; b = 1執行之後，a和b可能會也可能不會引用具有相同值得同一個對象，這取決於解釋器實現。但是語句c = []; d = []執行之後，可以保證c和d會指向不同的，唯一的新創建的空列表。(註意 c = d = []分配相同的對象給c和d)

Note： 以上翻譯自 《The Python Language References#Data model# Objects, values, types》 3.6.1版本。

1.2 對象小結

官方文檔已經對Python 對象做了詳細的描述，這裡總結一下。

對象的三個特性：

  • 身份標識
    唯一標識對象；不可變；CPython解釋器實現為對象的記憶體地址。
    操作：id()，內建函數id()函數返回標識對象的一個整數；is比較兩個對象的身份標識。
    示例：

    >>> id(1)
1470514832
>>> 1 is 1
True

  • 類型
    決定對象支持的操作，可能的值；不可變。
    操作：type()，內建函數返回對象的類型
    示例：

    >>> type('a')
<class 'str'>

  • 值
    數據，可變/不可變
    操作：==操作符用於比較兩個對象的值是否相等，其他比較運算符比較對象間大小情況。
    示例：

    >>> 'python'
'python'
>>> 1 == 2
False

可變與不可變：一般認為，值不可變的對象是不可變對象，值可變的對象是可變對象，但是要註意不可變集合對象包含可變對象引用成員的情況。

Python中的對象：

# -*- coding: utf-8 -*-
# filename: hello.py

'a test module'

__author__ = 'Richard Cheng'

import sys

class Person(object):
    ''' Person class'''

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age


def tset():
    print(sys.path)
    p = Person('Richard', 20)
    print(p.name, ':', p.age)

def main():
    tset()

if __name__ == '__main__':
    main()

這段Python代碼中有很多對象，包括hello這個模塊對象，創建的Person類對象，幾個函數如test, main函數對象，數字，字元串，甚至代碼本身也是對象。

2、名字即“變數”

幾乎所有語言中都有“變數”的說法，嚴格說來，Python中的變數不應該叫變數，稱為名字更加貼切。

以下翻譯自 Code Like a Pythonista: Idiomatic Python # Python has "names"

2.1 其他語言有變數

其他語言中，為變數分配值就像將值放到“盒子”里。
int a = 1;

把1放到盒子里

盒子a現在有了一個整數1。

為同一個變數分配值替換掉盒子的內容：
a =2;

把2放到同一個盒子里

現在盒子a中放了整數2

將一個變數分配給另一個變數，拷貝變數的值，並把它放到新的盒子里：
int b = a;

b盒子里放了2

a盒子里也放了2

b是第二個盒子，裝有整數2的拷貝。盒子a有一份單獨的拷貝。

2.2 Python有名字

Python中，名字或者標識符就像將一個標簽捆綁到對象上一樣。
a = 1

將名字a捆綁到對象1上

這裡，整數對象1有一個叫做a的標簽。

如果重新給a分配值，只是簡單的將標簽移動到另一個對象：
a = 2

標簽a移動到另一個對象
1對象沒有標簽了

現在名字a貼到了整數對象2上面。原來的整數對象1不再擁有標簽a，或許它還存在，但是不能通過標簽a訪問它了(當對象沒有任何引用時，會被回收。)

如果將一個名字分配給另一名字，只是將另一個名字標簽捆綁到存在的對象上：
b = a

有兩個標簽的對象

名字b只是綁定到與a引用的相同對象上的第二個標簽而已。

雖然在Python中普遍使用“變數”(因為“變數”是普遍術語)，真正的意思是名字或者標識符。Python中的變數是值得標簽，不是裝值得盒子。

2.3 指針？引用？名字？

C/C++中有指針，Java中有引用，Python中的名字在一定程度上等同於指針和引用。

2.1節中其他語言的例子，也只是針對於它們的基本類型而言的，若是指針或者引用，表現也跟Python的名字一樣。這也在一定程度上說明瞭Python將面向對象貫徹得更加徹底。

2.4 名字支持的操作

可以對一個變數做什麼？聲明變數，使用變數，修改變數的值。名字作為Python中的一個重要概念，可以對它做的操作有：

  • 定義；名字需要先定義才能使用，與變數需要先聲明一樣。
  • 綁定：名字的單獨存在沒有意義，必須將它綁定到一個對象上。
  • 重綁定：名字可以重新引用另一個對象，這個操作就是重綁定。
  • 引用：為什麼要定義名字，目的是使用它。

3、綁定的藝術

名字以及對象，它們之間必然會發生些什麼。

3.1 變數的聲明

其他如C/C++和Java的高級語言，變數在使用前需要聲明，或者說定義。以下在Java中聲明變數：

public static void main(String[] args) {
        int i = 0; // 先聲明，後使用
        System.out.println(i); // 使用變數i
}

這樣，在可以訪問到變數i所在作用域的地方，既可以使用i了。還有其他聲明變數的方法麽？好像沒有了。

3.2 名字的定義

Python中有多種定義名字的途徑，如函數定義，函數名就是引用函數對象的名字；類定義，類名就是指向類對象的名字，模塊定義，模塊名就是引用模塊對象的名字；當然，最直觀的還是賦值語句。

賦值語句

官方對賦值語句做了這樣的說明(地址)：

Assignment statements are used to (re)bind names to values and to modify attributes or items of mutable objects.

即：

賦值語句被用來將名字綁定或者重綁定給值，也用來修改可變對象的屬性或項

那麼，我們關心的，就是賦值語句將名字和值(對象)綁定起來了。

看一個簡單的賦值語句：

a = 9

Python在處理這條語句時:

  1. 首先在記憶體中創建一個對象，表示整數9:

整數9對象

  1. 然後創建名字a，並把它指向上述對象：

名字a引用對象

上述過程就是通過賦值語句的名字對象綁定了。名字首次和對象綁定後，這個名字就定義在當前命名空間了，以後，在能訪問到這個命名空間的作用域中可以引用該名字了。

3.3 引用不可變對象

定義完名字之後，就可以使用名字了，名字的使用稱為“引用名字”。當名字指向可變對象和不可變對象時，使用名字會有不同的表現。

a = 9       #1
a = a + 1   #2

語句1執行完後，名字a指向表示整數9的對象：

名字a引用對象

由於整數是不可變對象，所以在語句2處引用名字a，試圖將表示整數9的對象 + 1，但該對象的值是無法改變的。因此就將該對象表示的整數值9加1，以整數10新建一個整數對象：

新建表示10的整數對象

接下來，將名字a 重綁定 到新建對象上，並移除名字對原對象的引用：

重綁定

使用id()函數，可以看到名字a指向的對象地址確實發生了改變：

>>> a = 9
>>> id(a)
1470514960
>>> a = a + 1
>>> id(a)
1470514976
3.4 引用可變對象
3.4.1 示例1：改變可變對象的值

可變對象可以改變其值，並且不會造成地址的改變：

>>> list1 = [1]
>>> id(list1)
42695136
>>> list1.append(2)
>>> id(list1)
42695136
>>> list1
[1, 2]
>>>

執行語句list1 = [1]，創建一個list對象，並且其值集中添加1，將名字list1指向該對象：

初始集合

執行語句list1.append(2)，由於list是可變對象，可以直接在其值集中添加2：

添加值

值得改變並沒有造成list1引用的對象地址的改變。

3.4.2 示例2：可變對象迴圈引用

再來看一個比較“奇怪”的例子：

values = [1, 2, 3]
values[1] = values
print(values)

一眼望去，期待的結果應該是

[1, [1, 2, 3], 3]

但實際上結果是：

[1, [...], 3]

我們知道list中的元素可以是各種類型的，list類型是可以的：

迴圈引用

3.4.3 示例3：重綁定可變對象

觀察以下代碼段：

>>> list1 = [1]
>>> id(list1)
42695136
>>> list1 = [1, 2]
>>> id(list1)
42717432

兩次輸出的名字list1引用對象的地址不一樣，這是因為第二次語句list 1 = [1, 2] 對名字做了重綁定：

重綁定

3.5 共用對象

當兩個或兩個以上的名字引用同一個對象時，我們稱這些名字共用對象。共用的對象可變性不同時，表現會出現差異。

3.5.1 共用不可變對象

函數attempt_change_immutable將參數i的值修改為2

def attempt_change_immutable(i):
    i = 2

i = 1
print(i)
attempt_change_immutable(i)
print(i)

Output:

1
1

如果你對輸出不感到意外，說明不是新手了 ^_^。

  1. 首先，函數的參數i與全局名字i不是在同一命名空間中，所以它們之間不相互影響。
  2. 調用函數時，將兩個名字i都指向了同一個整數對象。
  3. 函數中修改i的值為2, 因為整數對象不可變，所以新建值為2的整數對象，並把函數中的名字i綁定到對象上。
  4. 全局名字i的綁定關係並沒有被改變。

兩個i指向同一個對象

改變函數i的綁定關係

值得註意的是，這部分內容與命名空間和作用域有關係，另外有文章介紹它們，可以參考。

3.5.2 共用可變對象

函數attempt_change_mutable為列表增加字元串。

def attempt_change_mutable(list_param):
    list_param.append('test')

list1 = [1]
print(list1)
attempt_change_mutable(list1)
print(list1)

output:

[1]
[1, 'test']

可以看到函數成功改變了列表list1的值。傳遞參數時，名字list_param引用了與名字list1相同的對象，這個對象是可變的，在函數中成功修改了對象的值。

首先，名字list_param與名字list1指向對象：

共用可變對象

然後，通過名字list_param修改了對象的值：

修改共用對象值

最後，這個修改對名字list1可見。

4、其他說明

待續。。。

參考

  1. The Python Language References#Data model# Objects, values, types
  2. Python的名字綁定
  3. Python一切皆對象
  4. Code Like a Pythonista: Idiomatic Python
  5. python基礎（5）：深入理解 python 中的賦值、引用、拷貝、作用域

腳註

[1] 在特定的控制條件下，改變對象的類型是可能的。但不是一種明智的做法，如果處理不當的話，會發生一些奇怪的行為。


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