對比 C++ 和 Python，談談指標與引用
花下貓語：本文是學習群內 櫻雨樓 小姐姐的投稿。之前已釋出過她的一篇作品《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，來探討程式語言中極其重要的概念。祝大家讀有所獲，學有所成！
櫻雨樓 | 原創作者
豌豆花下貓 | 編輯潤色
本文原創並首發於公眾號【Python貓】，未經授權，請勿轉載。
原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/k0VNL6uyvBHT7PWdzEPROQ
0 引言
指標（Pointer）是 C、C++ 以及 Java、Go 等語言的一個非常核心且重要的概念，而引用（Reference）是在指標的基礎上構建出的一個同樣重要的概念。
指標對於任何一個程式語言而言都是必須且重要的，雖然 Python 對指標這一概念進行了刻意的模糊與限制，但指標對於 Python 而言依然是一個必須進行深入討論的話題。
本文基於 C++ 與 Python，討論了 Python 中與指標及引用相關的一些行為。
1 什麼是指標？為什麼需要指標？
指標有兩重含義：
（1）指代某種資料型別的指標型別，如整形指標型別、指標指標型別
（2）指代一類存放有記憶體地址的變數，即指標變數
指標的這兩重含義是緊密聯絡的：作為一種變數，通過指標可以獲取某個記憶體地址，從而為訪問此地址上的值做好了準備；作為一種型別，其決定了記憶體地址的正確偏移長度，其應等於當前型別的單位記憶體大小。
如果一個指標缺少指標型別，即 void *，則顯然，其雖然儲存了記憶體地址，但這僅僅是一個起點地址，指標會因為無法獲知從起點向後進行的偏移量，從而拒絕解指標操作；而如果一個指標缺少地址，即 nullptr，則其根本無法讀取特定位置的記憶體。
指標存在的意義主要有以下幾點：
- 承載通過 malloc、new、allocator 等獲取的動態記憶體
- 使得 pass-by-pointer 成為可能
pass-by-pointer 的好處包括但不限於：
- 避免對實參無意義的值拷貝，大幅提高效率
- 使得對某個變數的修改能力不侷限於變數自身的作用域
- 使得 swap、移動建構函式、移動賦值運算等操作可以僅針對資料結構內部的指標進行操作，從而避免了對臨時物件、移後源等物件的整體記憶體操作
由此可見，與指標相關的各操作對於程式設計而言都是必須的或十分重要的。
2 C++中的引用
在 C++ 中，引用具有與指標相似的性質，但更加隱形與嚴格。C++ 的引用分為以下兩種：
2.1 左值引用
左值引用於其初始化階段繫結到左值，且不存在重新繫結。
左值引用具有與被繫結左值幾乎一樣的性質，其唯一的區別在於 decltype 宣告：
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繫結到右值，其常用於移動建構函式和移動賦值操作。在這些場合中，移動建構函式和移動賦值操作通過右值引用接管被移動物件。
右值引用與本文內容無關，故這裡不再詳述。
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 而言是一個非常常用的術語，但這顯然是不準確的——由於 Python 不存在對左/右值的繫結操作，故不存在左值引用，更不存在右值引用。
3.2 Python的指標操作
不難發現，雖然 Python 沒有引用，但其變數的行為和指標的行為具有高度的相似性，這主要體現在以下方面：
- 在任何情況下（包括賦值、實參傳遞等）均不存在顯式值拷貝，當此種情況發生時，只增加了一次引用計數
- 變數可以進行重繫結（對應於一個不含頂層 const（top-level const）的指標）
- 在某些情況下（下文將對此問題進行詳細討論），可通過函式實參修改原值
由此可見，Python 變數更類似於（某種殘缺的）指標變數，而不是引用變數。
3.2.1 建構函式返回指標
對於 Python 的描述，有一句非常常見的話：“一切皆物件”。
但在這句話中，有一個很重要的事實常常被人們忽略：物件是一個值，不是一個指標或引用。
所以，這句話的準確描述應該更正為：“一切皆（某種殘缺的）指標”。雖然修改後的描述很抽象，但這是更準確的。
而由於物件從建構函式而來，至此我們可知：Python 的建構函式將構造匿名物件，且返回此物件的一個指標。
這是 Python 與指標的第一個重要聯絡。
用程式碼描述，對於Python程式碼：
sampleNum = 0其不類似於 C++ 程式碼：
int sampleNum = 0;而更類似於：
int __tmpNum = 0, *sampleNum = &__tmpNum;
// 或者：
shared_ptr<int> sampleNum(new int(0));3.2.2 __setitems__操作將隱式解指標
Python 與指標的另一個重要聯絡在於 Python 的隱式解指標行為。
雖然 Python 不存在顯式解指標操作，但（有且僅有）__setitems__操作將進行隱式解指標，通過此方法對變數進行修改等同於通過解指標操作修改變數原值。
此種性質意味著：
- 任何不涉及__setitems__的操作都將成為指標重繫結。
對於Python程式碼：
numList = [None] * 10
# Rebinding
numList = [None] * 5其相當於：
int *numList = new int[10];
// Rebinding
delete[] numList;
numList = new int[5];
delete[] numList;由此可見，對 numList 的非__setitems__操作，導致 numList 被繫結到了一個新指標上。
- 任何涉及__setitems__的操作都將成為解指標操作。
由於 Python 對雜湊表的高度依賴，“涉及__setitems__的操作”在 Python 中實際上是一個非常廣泛的行為，這主要包括：
- 對陣列的索引操作
- 對雜湊表的查詢操作
- 涉及__setattr__的操作（由於 Python 將 attribute 儲存在雜湊表中，所以__setattr__操作最終將是某種__setitems__操作）
我們用一個稍複雜的例子說明這一點：
對於以下Python程式碼：
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()
其相當於：
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;
}由此可見，無論是 int、float 這種簡單的 Python 型別，還是我們自定義的類，其構造行為都類似使用 new 構造物件並返回指標。
且在 Python 中任何涉及“.”和“[]”的操作，都類似於對指標的“->”或“*”解指標操作。
4 後記
本文探討了 Python 變數與指標、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 變數的行為類似於某種殘缺的指標 ”兩個論點。
所有論點均系作者個人觀點，如有錯誤，恭迎指正。
公眾號【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、技術寫作、優質英文推薦與翻譯等等，歡迎關注哦