对比 C++ 和 Python，谈谈指针与引用

  • 2019 年 10 月 8 日
  • 筆記

樱雨楼 | 作者

豌豆花下猫 | 编辑

0 引言

指针（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等语言的一个非常核心且重要的概念，而引用（Reference）是在指针的基础上构建出的一个同样重要的概念。

指针对于任何一个编程语言而言都是必须且重要的，虽然 Python 对指针这一概念进行了刻意的模糊与限制，但指针对于 Python 而言依然是一个必须进行深入讨论的话题。

本文基于 C++ 与 Python，讨论了 Python 中与指针及引用相关的一些行为。

1 什么是指针？为什么需要指针？

指针有两重含义：

（1）指代某种数据类型的指针类型，如整形指针类型、指针指针类型

（2）指代一类存放有内存地址的变量，即指针变量

指针的这两重含义是紧密联系的：作为一种变量，通过指针可以获取某个内存地址，从而为访问此地址上的值做好了准备；作为一种类型，其决定了内存地址的正确偏移长度，其应等于当前类型的单位内存大小。

如果一个指针缺少指针类型，即 void *，则显然，其虽然保存了内存地址，但这仅仅是一个起点地址，指针会因为无法获知从起点向后进行的偏移量，从而拒绝解指针操作；而如果一个指针缺少地址，即 nullptr，则其根本无法读取特定位置的内存。

指针存在的意义主要有以下几点：

  • 承载通过 malloc、new、allocator 等获取的动态内存
  • 使得 pass-by-pointer 成为可能

pass-by-pointer 的好处包括但不限于：

  • 避免对实参无意义的值拷贝，大幅提高效率
  • 使得对某个变量的修改能力不局限于变量自身的作用域
  • 使得 swap、移动构造函数、移动赋值运算等操作可以仅针对数据结构内部的指针进行操作，从而避免了对临时对象、移后源等对象的整体内存操作

由此可见，与指针相关的各操作对于编程而言都是必须的或十分重要的。

2 C++中的引用

在 C++ 中，引用具有与指针相似的性质，但更加隐形与严格。C++ 的引用分为以下两种：

2.1 左值引用

左值引用于其初始化阶段绑定到左值，且不存在重新绑定。

左值引用具有与被绑定左值几乎一样的性质，其唯一的区别在于 decltype 声明：

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阶段绑定到右值，其常用于移动构造函数和移动赋值操作。在这些场合中，移动构造函数和移动赋值操作通过右值引用接管被移动对象。

右值引用与本文内容无关，故这里不再详述。

3 Python中的引用

3.1 Python不存在引用

由上文讨论可知，虽然“引用”对于 Python 而言是一个非常常用的术语，但这显然是不准确的——由于 Python 不存在对左/右值的绑定操作，故不存在左值引用，更不存在右值引用。

3.2 Python的指针操作

不难发现，虽然 Python 没有引用，但其变量的行为和指针的行为具有高度的相似性，这主要体现在以下方面：

  • 在任何情况下（包括赋值、实参传递等）均不存在显式值拷贝，当此种情况发生时，只增加了一次引用计数
  • 变量可以进行重绑定（对应于一个不含顶层 const（top-level const）的指针）
  • 在某些情况下（下文将对此问题进行详细讨论），可通过函数实参修改原值

由此可见，Python变量更类似于（某种残缺的）指针变量，而不是引用变量。

3.2.1 构造函数返回指针

对于 Python 的描述，有一句非常常见的话：“一切皆对象”。

但在这句话中，有一个很重要的事实常常被人们忽略：对象是一个值，不是一个指针或引用。

所以，这句话的准确描述应该更正为：“一切皆（某种残缺的）指针”。虽然修改后的描述很抽象，但这是更准确的。

而由于对象从构造函数而来，至此我们可知：Python的构造函数将构造匿名对象，且返回此对象的一个指针。

这是 Python 与指针的第一个重要联系。

用代码描述，对于Python代码：

sampleNum = 0

其不类似于 C++ 代码：

int sampleNum = 0;

而更类似于：

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

3.2.2 __setitems__操作将隐式解指针

Python与指针的另一个重要联系在于 Python 的隐式解指针行为。

虽然 Python 不存在显式解指针操作，但（有且仅有）__setitems__操作将进行隐式解指针，通过此方法对变量进行修改等同于通过解指针操作修改变量原值。

此种性质意味着：

  1. 任何不涉及__setitems__的操作都将成为指针重绑定。

对于Python代码：

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

其相当于：

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

由此可见，对 numList 的非__setitems__操作，导致 numList 被绑定到了一个新指针上。

  1. 任何涉及__setitems__的操作都将成为解指针操作。

由于 Python 对哈希表的高度依赖，“涉及__setitems__的操作”在 Python 中实际上是一个非常广泛的行为，这主要包括：

  • 对数组的索引操作
  • 对哈希表的查找操作
  • 涉及__setattr__的操作（由于 Python 将 attribute 存储在哈希表中，所以__setattr__操作最终将是某种__setitems__操作）

我们用一个稍复杂的例子说明这一点：

对于以下Python代码：

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()

其相当于：

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;  }

由此可见，无论是 int、float 这种简单的 Python 类型，还是我们自定义的类，其构造行为都类似使用 new 构造对象并返回指针。

且在 Python 中任何涉及“.”和“[]”的操作，都类似于对指针的“->”或“*”解指针操作。

4 后记

本文探讨了 Python 变量与指针、引用两大概念之间的关系，主要论证了“Python不存在引用”以及“Python变量的行为类似于某种残缺的指针”两个论点。

文中所有论点均系作者个人观点，如有错误，恭迎指正。

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