對比 C++ 和 Python，談談指針與引用

花下貓語：本文是學習羣內 櫻雨樓 小姐姐的投稿。以前已發佈過她的一篇做品《當談論迭代器時，我談些什麼？》，大受好評。本文依然是對比 C++ 與 Python，來探討編程語言中極其重要的概念。祝你們讀有所獲，學有所成！

櫻雨樓 | 原創做者

豌豆花下貓 | 編輯潤色

本文原創並首發於公衆號【Python貓】，未經受權，請勿轉載。

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

0 引言

指針（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等語言的一個很是核心且重要的概念，而引用（Reference）是在指針的基礎上構建出的一個一樣重要的概念。

指針對於任何一個編程語言而言都是必須且重要的，雖然 Python 對指針這一律念進行了刻意的模糊與限制，但指針對於 Python 而言依然是一個必須進行深刻討論的話題。

本文基於 C++ 與 Python，討論了 Python 中與指針及引用相關的一些行爲。

1 什麼是指針？爲何須要指針？

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繫的：做爲一種變量，經過指針能夠獲取某個內存地址，從而爲訪問此地址上的值作好了準備；做爲一種類型，其決定了內存地址的正確偏移長度，其應等於當前類型的單位內存大小。

若是一個指針缺乏指針類型，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，指針會由於沒法獲知從起點向後進行的偏移量，從而拒絕解指針操做；而若是一個指針缺乏地址，即 nullptr，則其根本沒法讀取特定位置的內存。

指針存在的意義主要有如下幾點：

• 承載經過 malloc、new、allocator 等獲取的動態內存
• 使得 pass-by-pointer 成爲可能

pass-by-pointer 的好處包括但不限於：

• 避免對實參無心義的值拷貝，大幅提升效率
• 使得對某個變量的修改能力不侷限於變量自身的做用域
• 使得 swap、移動構造函數、移動賦值運算等操做能夠僅針對數據結構內部的指針進行操做，從而避免了對臨時對象、移後源等對象的總體內存操做

因而可知，與指針相關的各操做對於編程而言都是必須的或十分重要的。

2 C++中的引用

在 C++ 中，引用具備與指針類似的性質，但更加隱形與嚴格。C++ 的引用分爲如下兩種：

2.1 左值引用

左值引用於其初始化階段綁定到左值，且不存在從新綁定。

左值引用具備與被綁定左值幾乎同樣的性質，其惟一的區別在於 decltype 聲明：

int numA = 0, &lrefA = numA;  // Binding an lvalue
cout << ++lrefA << endl;      // Use the lvalue reference as lvalue & rvalue
decltype(lrefA) numB = 1;     // Error!

左值引用經常使用於 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

右值引用於其初始化階段綁定到右值，其經常使用於移動構造函數和移動賦值操做。在這些場合中，移動構造函數和移動賦值操做經過右值引用接管被移動對象。

右值引用與本文內容無關，故這裏再也不詳述。

3 Python中的引用

3.1 Python不存在引用

由上文討論可知，雖然「引用」對於 Python 而言是一個很是經常使用的術語，但這顯然是不許確的——因爲 Python 不存在對左/右值的綁定操做，故不存在左值引用，更不存在右值引用。

3.2 Python的指針操做

不難發現，雖然 Python 沒有引用，但其變量的行爲和指針的行爲具備高度的類似性，這主要體如今如下方面：

• 在任何狀況下（包括賦值、實參傳遞等）均不存在顯式值拷貝，當此種狀況發生時，只增長了一次引用計數
• 變量能夠進行重綁定（對應於一個不含頂層 const（top-level const）的指針）
• 在某些狀況下（下文將對此問題進行詳細討論），可經過函數實參修改原值

因而可知，Python 變量更相似於（某種殘缺的）指針變量，而不是引用變量。

3.2.1 構造函數返回指針

對於 Python 的描述，有一句很是常見的話：「一切皆對象」。

但在這句話中，有一個很重要的事實經常被人們忽略：對象是一個值，不是一個指針或引用。

因此，這句話的準確描述應該更正爲：「一切皆（某種殘缺的）指針」。雖然修改後的描述很抽象，但這是更準確的。

而因爲對象從構造函數而來，至此咱們可知：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繫。

用代碼描述，對於Python代碼：

sampleNum = 0

其不相似於 C++ 代碼：

int sampleNum = 0;

而更相似於：

int __tmpNum = 0, *sampleNum = &__tmpNum;

// 或者：
shared_ptr<int> sampleNum(new int(0));

3.2.2 __setitems__操做將隱式解指針

Python 與指針的另外一個重要聯繫在於 Python 的隱式解指針行爲。

雖然 Python 不存在顯式解指針操做，但（有且僅有）__setitems__操做將進行隱式解指針，經過此方法對變量進行修改等同於經過解指針操做修改變量原值。

此種性質意味着：

1. 任何不涉及__setitems__的操做都將成爲指針重綁定。

對於Python代碼：

numList = [None] * 10

# Rebinding
numList = [None] * 5

其至關於：

int *numList = new int[10];

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

因而可知，對 numList 的非__setitems__操做，致使 numList 被綁定到了一個新指針上。

1. 任何涉及__setitems__的操做都將成爲解指針操做。

因爲 Python 對哈希表的高度依賴，「涉及__setitems__的操做」在 Python 中其實是一個很是普遍的行爲，這主要包括：

• 對數組的索引操做
• 對哈希表的查找操做
• 涉及__setattr__的操做（因爲 Python 將 attribute 存儲在哈希表中，因此__setattr__操做最終將是某種__setitems__操做）

咱們用一個稍複雜的例子說明這一點：

對於如下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()

其至關於：

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;
}

因而可知，不管是 int、float 這種簡單的 Python 類型，仍是咱們自定義的類，其構造行爲都相似使用 new 構造對象並返回指針。

且在 Python 中任何涉及「.」和「[]」的操做，都相似於對指針的「->」或「*」解指針操做。

4 後記

本文探討了 Python 變量與指針、引用兩大概念之間的關係，主要論證了「Python 不存在引用 」以及「Python 變量的行爲相似於某種殘缺的指針 」兩個論點。

全部論點均系做者我的觀點，若有錯誤，恭迎指正。

公衆號【Python貓】， 本號連載優質的系列文章，有喵星哲學貓系列、Python進階系列、好書推薦系列、技術寫做、優質英文推薦與翻譯等等，歡迎關注哦。