寫在前面

如非特別說(shuō)明，下文均基于Python3

1、一切皆對(duì)象

Python哲學(xué)：

Python中一切皆對(duì)象

1.1 數(shù)據(jù)模型-對(duì)象，值以及類型

對(duì)象是Python對(duì)數(shù)據(jù)的抽象。Python程序中所有的數(shù)據(jù)都是對(duì)象或?qū)ο笾g的關(guān)系表示的。(在某種意義上，為順應(yīng)馮·諾依曼“存儲(chǔ)式計(jì)算機(jī)”的模型，Python中的代碼也是對(duì)象。)

Python中每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)身份標(biāo)識(shí)，一個(gè)值以及一個(gè)類型。對(duì)象創(chuàng)建后，其身份標(biāo)識(shí)絕對(duì)不會(huì)改變；可以把身份標(biāo)識(shí)當(dāng)做對(duì)象在內(nèi)存中的地址。is操作符比較兩個(gè)對(duì)象的身份標(biāo)識(shí)；id()函數(shù)返回表示對(duì)象身份標(biāo)識(shí)的整數(shù)。

CPython實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)： 在CPython解釋器的實(shí)現(xiàn)中，id(x)函數(shù)返回存儲(chǔ)x的內(nèi)存地址

對(duì)象的類型決定了對(duì)象支持的操作(例如，對(duì)象有長(zhǎng)度么？)，同時(shí)也決定了該類型對(duì)象可能的值。type()函數(shù)返回對(duì)象的類型(這個(gè)類型本身也是一個(gè)對(duì)象)。與其身份標(biāo)識(shí)一樣，對(duì)象的類型也是不可改變的^[1]。

一些對(duì)象的值可以改變?？筛淖冎档膶?duì)象也稱作可變的(mutable)；一旦創(chuàng)建，值恒定的對(duì)象也叫做 不可變的(immutable)。(當(dāng)不可變?nèi)萜鲗?duì)象中包含對(duì)可變對(duì)象的引用時(shí)，可變對(duì)象值改變時(shí)，這個(gè)不可變?nèi)萜鲗?duì)象值也被改變了；然而，不可變?nèi)萜鲗?duì)象仍被認(rèn)為是不可變的，因?yàn)閷?duì)象包含的值集合確實(shí)是不可改變的。因此，不可變性不是嚴(yán)格等同于擁有不可變的值，它很微妙。) (譯注：首先不可變?nèi)萜鲗?duì)象的值是一個(gè)集合，集合中包含了對(duì)其他對(duì)象的引用；那么這些引用可以看做地址，即使地址指向的內(nèi)容改變了，集合中的地址本身是沒(méi)有改變的。所以不可變?nèi)萜鲗?duì)象還是不可變對(duì)象。) 對(duì)象的可變性取決于其類型；例如，數(shù)字，字符串和元組是不可變的，但字典和列表是可變的。

對(duì)象從不顯式銷毀；當(dāng)對(duì)象不可達(dá)時(shí)會(huì)被垃圾回收(譯注：對(duì)象沒(méi)有引用了)。一種解釋器實(shí)現(xiàn)允許垃圾回收延時(shí)或者直接忽略——這取決于垃圾回收是如何實(shí)現(xiàn)的，只要沒(méi)有可達(dá)對(duì)象被回收。

CPython實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)： CPython解釋器實(shí)現(xiàn)使用引用計(jì)數(shù)模式延時(shí)探測(cè)循環(huán)鏈接垃圾，這種方式可回收大多數(shù)不可達(dá)對(duì)象，但并不能保證循環(huán)引用的垃圾被回收。查看gc模塊的文檔了解控制循環(huán)垃圾回收的更多信息。其他解釋器實(shí)現(xiàn)與CPython不同，CPython實(shí)現(xiàn)將來(lái)也許會(huì)改變。因此不能依賴?yán)厥掌鱽?lái)回收不可達(dá)對(duì)象(因此應(yīng)該總是顯式關(guān)閉文件對(duì)象。)。

需要注意，使用工具的調(diào)試跟蹤功能可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)該被回收的對(duì)象一直存活，使用try...except語(yǔ)句捕獲異常也可以保持對(duì)象的存活。

一些對(duì)象引用了如文件或者窗口的外部資源。不言而喻持有資源的對(duì)象被垃圾回收后，資源也會(huì)被釋放，但因?yàn)闆](méi)有機(jī)制保證垃圾回收一定會(huì)發(fā)生，這些資源持有對(duì)象也提供了顯式釋放外部資源的方式，通常使用close()方法。強(qiáng)烈推薦在程序中顯式釋放資源。try...finally語(yǔ)句和with語(yǔ)句為釋放資源提供了便利。

一些對(duì)象包含對(duì)其他對(duì)象的引用，這些對(duì)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(shù)情況下，談?wù)撊萜鞯闹禃r(shí)，我們暗指容器包含的對(duì)象值集合，而不是對(duì)象的身份標(biāo)識(shí)集合；然而，談?wù)撊萜鞯目勺冃詴r(shí)，我們暗指容器包含的對(duì)象的身份標(biāo)識(shí)。因此，如果不可變對(duì)象(如元組)包含對(duì)可變對(duì)象的引用，可變對(duì)象改變時(shí)，其值也改變了。

類型影響對(duì)象的絕大多數(shù)行為。在某些情況下甚至對(duì)象的身份標(biāo)識(shí)的重要性也受到影響：對(duì)于不可變類型，計(jì)算新值的操作實(shí)際上可能會(huì)返回已存在的，值和類型一樣的對(duì)象的引用，然而對(duì)于可變對(duì)象來(lái)說(shuō)這是不可能的。例如，語(yǔ)句a = 1; b = 1執(zhí)行之后，a和b可能會(huì)也可能不會(huì)引用具有相同值得同一個(gè)對(duì)象，這取決于解釋器實(shí)現(xiàn)。但是語(yǔ)句c = []; d = []執(zhí)行之后，可以保證c和d會(huì)指向不同的，唯一的新創(chuàng)建的空列表。(注意 c = d = []分配相同的對(duì)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(duì)象小結(jié)

官方文檔已經(jīng)對(duì)Python 對(duì)象做了詳細(xì)的描述，這里總結(jié)一下。

對(duì)象的三個(gè)特性：

• 身份標(biāo)識(shí)
  唯一標(biāo)識(shí)對(duì)象；不可變；CPython解釋器實(shí)現(xiàn)為對(duì)象的內(nèi)存地址。
  操作：id()，內(nèi)建函數(shù)id()函數(shù)返回標(biāo)識(shí)對(duì)象的一個(gè)整數(shù)；is比較兩個(gè)對(duì)象的身份標(biāo)識(shí)。
  示例：

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

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

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

• 值
  數(shù)據(jù)，可變/不可變
  操作：==操作符用于比較兩個(gè)對(duì)象的值是否相等，其他比較運(yùn)算符比較對(duì)象間大小情況。
  示例：

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

可變與不可變：一般認(rèn)為，值不可變的對(duì)象是不可變對(duì)象，值可變的對(duì)象是可變對(duì)象，但是要注意不可變集合對(duì)象包含可變對(duì)象引用成員的情況。

Python中的對(duì)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(duì)象，包括hello這個(gè)模塊對(duì)象，創(chuàng)建的Person類對(duì)象，幾個(gè)函數(shù)如test, main函數(shù)對(duì)象，數(shù)字，字符串，甚至代碼本身也是對(duì)象。

2、名字即“變量”

幾乎所有語(yǔ)言中都有“變量”的說(shuō)法，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，Python中的變量不應(yīng)該叫變量，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(yǔ)言有變量

其他語(yǔ)言中，為變量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(xiàn)在有了一個(gè)整數(shù)1。

為同一個(gè)變量分配值替換掉盒子的內(nèi)容：
a =2;

把2放到同一個(gè)盒子里

將一個(gè)變量分配給另一個(gè)變量，拷貝變量的值，并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

b是第二個(gè)盒子，裝有整數(shù)2的拷貝。盒子a有一份單獨(dú)的拷貝。

2.2 Python有名字

Python中，名字或者標(biāo)識(shí)符就像將一個(gè)標(biāo)簽捆綁到對(duì)象上一樣。
a = 1

將名字a捆綁到對(duì)象1上

這里，整數(shù)對(duì)象1有一個(gè)叫做a的標(biāo)簽。

如果重新給a分配值，只是簡(jiǎn)單的將標(biāo)簽移動(dòng)到另一個(gè)對(duì)象：
a = 2

標(biāo)簽a移動(dòng)到另一個(gè)對(duì)象

1對(duì)象沒(méi)有標(biāo)簽了

如果將一個(gè)名字分配給另一名字，只是將另一個(gè)名字標(biāo)簽捆綁到存在的對(duì)象上：
b = a

有兩個(gè)標(biāo)簽的對(duì)象

名字b只是綁定到與a引用的相同對(duì)象上的第二個(gè)標(biāo)簽而已。

雖然在Python中普遍使用“變量”(因?yàn)椤白兞俊笔瞧毡樾g(shù)語(yǔ))，真正的意思是名字或者標(biāo)識(shí)符。Python中的變量是值得標(biāo)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于指針和引用。

2.1節(jié)中其他語(yǔ)言的例子，也只是針對(duì)于它們的基本類型而言的，若是指針或者引用，表現(xiàn)也跟Python的名字一樣。這也在一定程度上說(shuō)明了Python將面向?qū)ο筘瀼氐酶訌氐住?/p>

2.4 名字支持的操作

可以對(duì)一個(gè)變量做什么？聲明變量，使用變量，修改變量的值。名字作為Python中的一個(gè)重要概念，可以對(duì)它做的操作有：

• 定義；名字需要先定義才能使用，與變量需要先聲明一樣。
• 綁定：名字的單獨(dú)存在沒(méi)有意義，必須將它綁定到一個(gè)對(duì)象上。
• 重綁定：名字可以重新引用另一個(gè)對(duì)象，這個(gè)操作就是重綁定。
• 引用：為什么要定義名字，目的是使用它。

3、綁定的藝術(shù)

名字以及對(duì)象，它們之間必然會(huì)發(fā)生些什么。

3.1 變量的聲明

其他如C/C++和Java的高級(jí)語(yǔ)言，變量在使用前需要聲明，或者說(shuō)定義。以下在Java中聲明變量：

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

這樣，在可以訪問(wèn)到變量i所在作用域的地方，既可以使用i了。還有其他聲明變量的方法么？好像沒(méi)有了。

3.2 名字的定義

Python中有多種定義名字的途徑，如函數(shù)定義，函數(shù)名就是引用函數(shù)對(duì)象的名字；類定義，類名就是指向類對(duì)象的名字，模塊定義，模塊名就是引用模塊對(duì)象的名字；當(dāng)然，最直觀的還是賦值語(yǔ)句。

賦值語(yǔ)句

官方對(duì)賦值語(yǔ)句做了這樣的說(shuō)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(yǔ)句被用來(lái)將名字綁定或者重綁定給值，也用來(lái)修改可變對(duì)象的屬性或項(xiàng)

那么，我們關(guān)心的，就是賦值語(yǔ)句將名字和值(對(duì)象)綁定起來(lái)了。

看一個(gè)簡(jiǎn)單的賦值語(yǔ)句：

a = 9

Python在處理這條語(yǔ)句時(shí):

1. 首先在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，表示整數(shù)9:

整數(shù)9對(duì)象

2. 然后創(chuàng)建名字a，并把它指向上述對(duì)象：

名字a引用對(duì)象

上述過(guò)程就是通過(guò)賦值語(yǔ)句的名字對(duì)象綁定了。名字首次和對(duì)象綁定后，這個(gè)名字就定義在當(dāng)前命名空間了，以后，在能訪問(wèn)到這個(gè)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(duì)象

定義完名字之后，就可以使用名字了，名字的使用稱為“引用名字”。當(dāng)名字指向可變對(duì)象和不可變對(duì)象時(shí)，使用名字會(huì)有不同的表現(xiàn)。

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

語(yǔ)句1執(zhí)行完后，名字a指向表示整數(shù)9的對(duì)象：

名字a引用對(duì)象

由于整數(shù)是不可變對(duì)象，所以在語(yǔ)句2處引用名字a，試圖將表示整數(shù)9的對(duì)象 + 1，但該對(duì)象的值是無(wú)法改變的。因此就將該對(duì)象表示的整數(shù)值9加1，以整數(shù)10新建一個(gè)整數(shù)對(duì)象：

新建表示10的整數(shù)對(duì)象

接下來(lái)，將名字a 重綁定 到新建對(duì)象上，并移除名字對(duì)原對(duì)象的引用：

重綁定

使用id()函數(shù)，可以看到名字a指向的對(duì)象地址確實(shí)發(fā)生了改變：

>>> a = 9
>>> id(a)
1470514960
>>> a = a + 1
>>> id(a)
1470514976

3.4 引用可變對(duì)象

3.4.1 示例1：改變可變對(duì)象的值

可變對(duì)象可以改變其值，并且不會(huì)造成地址的改變：

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

執(zhí)行語(yǔ)句list1 = [1]，創(chuàng)建一個(gè)list對(duì)象，并且其值集中添加1，將名字list1指向該對(duì)象：

初始集合

執(zhí)行語(yǔ)句list1.append(2)，由于list是可變對(duì)象，可以直接在其值集中添加2：

添加值

值得改變并沒(méi)有造成list1引用的對(duì)象地址的改變。

3.4.2 示例2：可變對(duì)象循環(huán)引用

再來(lái)看一個(gè)比較“奇怪”的例子：

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

一眼望去，期待的結(jié)果應(yīng)該是

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

但實(shí)際上結(jié)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：

循環(huán)引用

3.4.3 示例3：重綁定可變對(duì)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(duì)象的地址不一樣，這是因?yàn)榈诙握Z(yǔ)句list 1 = [1, 2] 對(duì)名字做了重綁定：

重綁定

3.5 共享對(duì)象

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的名字引用同一個(gè)對(duì)象時(shí)，我們稱這些名字共享對(duì)象。共享的對(duì)象可變性不同時(shí)，表現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)差異。

3.5.1 共享不可變對(duì)象

函數(shù)attempt_change_immutable將參數(shù)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(duì)輸出不感到意外，說(shuō)明不是新手了 ^_。

1. 首先，函數(shù)的參數(shù)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(diào)用函數(shù)時(shí)，將兩個(gè)名字i都指向了同一個(gè)整數(shù)對(duì)象。
3. 函數(shù)中修改i的值為2, 因?yàn)檎麛?shù)對(duì)象不可變，所以新建值為2的整數(shù)對(duì)象，并把函數(shù)中的名字i綁定到對(duì)象上。
4. 全局名字i的綁定關(guān)系并沒(méi)有被改變。

兩個(gè)i指向同一個(gè)對(duì)象

改變函數(shù)i的綁定關(guān)系

值得注意的是，這部分內(nèi)容與命名空間和作用域有關(guān)系，另外有文章介紹它們，可以參考。

3.5.2 共享可變對(duì)象

函數(shù)attempt_change_mutable為列表增加字符串。

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(shù)成功改變了列表list1的值。傳遞參數(shù)時(shí)，名字list_param引用了與名字list1相同的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象是可變的，在函數(shù)中成功修改了對(duì)象的值。

首先，名字list_param與名字list1指向?qū)ο螅?/p>

共享可變對(duì)象

然后，通過(guò)名字list_param修改了對(duì)象的值：

修改共享對(duì)象值

最后，這個(gè)修改對(duì)名字list1可見。

3.6 綁定何時(shí)發(fā)生

總的來(lái)說(shuō)，觸發(fā)名字對(duì)象綁定的行為有以下一些：

• 賦值操作；a = 1

• 函數(shù)定義；

    def test():
        pass
  

將名字test綁定到函數(shù)對(duì)象

• 類定義：

    class Test(object):
        pass
  

將名字Test綁定到類對(duì)象

• 函數(shù)傳參；

    def test(i):
        pass
    test(1)
  

將名字i綁定到整數(shù)對(duì)象1

• import語(yǔ)句：

   import sys
  

將名字sys綁定到指定模塊對(duì)象。

• for循環(huán)

    for i in range(10):
        pass
  

每次循環(huán)都會(huì)綁定/重綁定名字i

• as操作符

    with open('dir', 'r') as f:
        pass
    
    try:
        pass
    except NameError as ne:
        pass
  

with open語(yǔ)句，異常捕獲語(yǔ)句中的as都會(huì)發(fā)生名字的綁定

4、其他說(shuō)明

待續(xù)。。。

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(duì)象
4. Code Like a Pythonista: Idiomatic Python
5. python基礎(chǔ)（5）：深入理解 python 中的賦值、引用、拷貝、作用域

腳注

<span id="jump">[1]</span> 在特定的控制條件下，改變對(duì)象的類型是可能的。但不是一種明智的做法，如果處理不當(dāng)?shù)脑?，?huì)發(fā)生一些奇怪的行為。