一文读懂 Python 值传递和引用传递

版本

  • Python 3.9

前言

  • 在编程语言中,值传递(pass by value)和引用传递(pass by reference)是两个重要的概念。它们涉及到变量在函数调用中的传递方式,对于理解函数调用和参数传递的机制至关重要。在本文中,我们将深入探讨 Python 中的值传递和引用传递,并通过代码示例进行说明。

形参和实参

  • 我们先了解一点前置知识,形参和实参,先说概念:形参出现在函数定义中,在整个函数体内都可使用,离开函数体则不可使用。实参出现在主调函数中,进入被调函数后,不能使用。
python 复制代码
def func(param):
    # 这里 param 为形参
    print(param)


if __name__ == "__main__":
    # 这里的 a 就是实参
    a = 1
    func(a)

值传递和引用传递

  • 我们先了解一下值传递和引用传递的概念:值传递是指在调用方式时,将实参的值拷贝一份给形参,对形参的修改不影响实参。引用传递也叫地址传递,指在调用方法时将实参的地址传递给形参,对形参的修改将影响实参的值,即传递的是实参的内存地址。

Python 变量存储

  • 对于python而言,python的一切变量都是对象,变量的存储采用了引用语义的方式,存储的只是一个变量的值所在的内存地址,而不是这个变量的只本身。
  • 代码实测:
python 复制代码
a = 1
print(f"变量a的地址:{id(a)}")

b = 1
print(f"变量b的地址:{id(b)}")

b = 2
print(f"变量b的地址:{id(b)}")
  • 上面实例输出如下:
text 复制代码
变量a的地址:2483649669424
变量b的地址:2483649669424
变量b的地址:2483649669456
  • 从实际用例我们可以看出,a、b = 1 时,这里底层为了性能考虑指向相同的内存,当 b 发生改变时,发生写时复制,b 指向了新的内存地址。

值语义和引用语义

值语义

  • 值语义是指将变量赋值为另一个变量时,会复制变量的值,而不是引用原始值所在的内存地址。如 Java 的基本数据类型。

引用语义

  • 引用语义是指将变量赋值为另一个变量时,实际上是将变量指向同一个对象的内存地址,而不是复制对象的值。如 Java 的引用数据类型、Python 值存储。

探讨 Python 值传递和引用传递

  • 了解完上面的一些基本概念后,我们从可变(mutable)和不可变(immutable)两种类型来探讨 Python 值传递和引用传递:

不可变(immutable)类型

  • 不可变变量的值一旦创建,就不能被修改。如果你尝试修改一个不可变对象的值,Python 将会创建一个新的对象。Python 中的不可变对象包括整数(int)、浮点数(float)、字符串(str)、元组(tuple)等。
  • 先简单看一个下面的例子:
python 复制代码
def modify_value(x):
    print(f"变量x修改前地址:{id(x)}")
    x = x + 10
    print(f"变量x修改后地址:{id(x)}")
    print("函数内部修改后的值为:", x)


# 调用函数
value = 5
print(f"变量value地址:{id(value)}")
modify_value(value)
print("函数外部原始值为:", value)
  • 在这个示例中,我们定义了一个函数 modify_value,它接受一个参数 x。在函数内部,我们对 x 的值进行修改,并打印出修改后的值。然后我们调用函数,传递了一个值为 5 的参数 value。运行以上代码,将会输出:
text 复制代码
变量value地址:1886976960944
变量x修改前地址:1886976960944
变量x修改后地址:1886976961264
函数内部修改后的值为: 15
函数外部原始值为: 5
  • 可以看到,尽管在函数内部修改了形式参数 x 的值,但并没有影响到函数外部实际参数 value 的值,而发生了写时复制。

可变(mutable)类型

  • 可变变量的值可以在原地修改,而不会创建一个新的对象。Python 中的可变对象包括列表(list)、字典(dict)、集合(set)等。
  • 我们以 list 类型为例:

案例一

python 复制代码
def modify_list(list):
    print(f"变量list地址:{id(list)}")
    list[2] = 4
    print(f"变量list修改地址:{id(list)}")
    print("函数内部修改后的列表为:", list)


# 调用函数
my_list = [1, 2, 3]
print(f"变量my_list地址:{id(my_list)}")
modify_list(my_list)
print("函数外部原始列表为:", my_list)
  • 输出如下:
text 复制代码
变量my_list地址:2115249727936
变量list地址:2115249727936
变量list修改地址:2115249727936
函数内部修改后的列表为: [1, 2, 4]
函数外部原始列表为: [1, 2, 4]

案例二

python 复制代码
def modify_list(list):
    print(f"变量list地址:{id(list)}")
    list = [6, 6, 6]
    print(f"变量list修改地址:{id(list)}")
    print("函数内部修改后的列表为:", list)


# 调用函数
my_list = [1, 2, 3]
print(f"变量my_list地址:{id(my_list)}")
modify_list(my_list)
print("函数外部原始列表为:", my_list)
  • 输出如下:
text 复制代码
变量my_list地址:2141908331136
变量list地址:2141908331136
变量list修改地址:2141908181248
函数内部修改后的列表为: [6, 6, 6]
函数外部原始列表为: [1, 2, 3]
  • 看完上面的两个案例你是否有些许疑惑,案例一修改了函数外的原始值,案例二未修改函数外的原始值,下面我们用图解来解释一下上面发生了什么:
  • 从图解中我们可以清晰的看到,在案例一和案例二中函数传递了 my_list 地址的拷贝值,案例一中持有数组的内存地址,因此成功修改了原数组元素,案例二中 list 的内存地址修改为新的数组内存地址,并没有修改原数组的值。
  • 通过对可变(mutable)和不可变(immutable)两种类型的函数传递的分析,我们可以知道由于 Python 中一切皆对象的特性,实际传递给函数的都是内存地址的拷贝,从表现上来说,我们可以说 Python 中都是值传递,了解过 Java 的同学会发现这里和 Java 的引用类型原理一致。

拓展:不可变类型真的不可变?

  • 上面我们提到了可变类型和不可变类型,不可变类型真的是不可变的?我们来看下面的案例:
python 复制代码
arr = (1, 2, [4, 4])

print(f"元组修改前:{arr}")
arr[2][0] = 2
print(f"元组修改后:{arr}")
  • 输出结果:
text 复制代码
元组修改前:(1, 2, [4, 4])
元组修改后:(1, 2, [2, 4])
  • 上面的案例中不可变类型出现了变化,这个是 bug ? 其实并不是,不可变类型的不可变指的是组成的元素是不可变的,在上面的案例 arr 元组中存储的是对应的内存地址,而不可变指的是内存地址和指向无法改变,但如果内存地址指向的是可变类型,比如数组,那么元素内部是可变的。

总结

  • 本文以值传递、引用传递的基本概念、以及 Python 变量存储为基础,从可变(mutable)和不可变(immutable)两种类型来分析 Python 值传递和引用传递的真相,通过充足的案例分析我们发现,Python变量 和 Java 引用类型类似,只存在值传递。

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