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对比 C++ 和 Python,谈谈指针与引用

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花下猫语:本文是学习群内 樱雨楼 小姐姐的投稿。之前已发布过她的一篇作品《当谈论迭代器时,我谈些什么?》,大受好评。本文依然是对比 C++ 与 Python,来探讨编程语言中极其重要的概念。祝大家读有所获,学有所成!

樱雨楼 | 原创作者

豌豆花下猫 | 编辑润色

本文原创并首发于公众号【Python猫】,未经授权,请勿转载。

原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/k0VNL6uyvBHT7PWdzEPROQ

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。

所有论点均系作者个人观点,如有错误,恭迎指正。

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