Python 里 a is b 有时 True 有时 False?小整数缓存和常量折叠的底层真相

系列:Python 底层设计逻辑|类型:原理拆解型|分发:CSDN / 掘金 / 博客园 / 腾讯云 / 51CTO / 阿里云 / 知乎(回答) 字数:约 1700 字|实验环境:CPython 3.10.0 / 3.13.14(64 位)

结论先行:is 比的是"是不是同一个对象"。CPython 在启动时预建了 -5, 256 的整数对象,整个进程共享------这个范围内,is 恒为 True。而 257 以上的整数,网传的"每次都是新对象"是错的:真相藏在常量折叠里。这篇用 6 组实验把边界一条条画出来。


1. 先看一组反常的实验结果

跑下面这段,结果可能和你印象里的完全不一样:

python 复制代码
def mk257(): return 257

print(256 is 256)          # True
print(257 is 257)          # True ------ 网传说这里该是 False
print(mk257() is mk257())  # True ------ 调两次函数还是同一个对象
print(int('257') is int('257'))  # False ------ 这里才是 False

注意,前两行还会触发 SyntaxWarning: "is" with a literal。解释器自己都在提醒:你在拿字面量比身份,这本身就是个危险动作。

真正稳定的规律只有一条:-5, 256 恒 True,257 以上看构造路径。

2. -5, 256:进程级共享的"小整数缓存"

CPython 解释器启动时,会在内存里预创建 -5 到 256 的整数对象,之后全进程所有代码引用这些数字,拿到的都是同一批对象。

用任意构造路径都能验证------只要值落在区间内,不管你怎么把它"造"出来:

python 复制代码
int('256') is int('256')   # True:两次字符串解析,同一个对象
int('255') + 1 is 256      # True:算出来的也是它

用引用计数佐证更直观:

python 复制代码
import sys
sys.getrefcount(200)   # 3.10 实测:11(多处代码共享一个对象)

一个 200,被十来处代码同时指着。省内存、省分配,这是缓存的意义:小整数在真实代码里出现频率极高,循环下标、状态码、枚举值,绝大多数落在这个区间。

3. 257 以上的真相:先问"是不是同一个代码对象"

257 开始没有缓存。但 257 is 257 在同一个代码对象里仍然是 True------这不是缓存,是常量折叠 :编译器编译期就把字面量收进 co_consts 常量表,同一份代码里写几遍 257,运行时拿到的是常量表里同一个对象。

把 6 种路径一次跑完,边界就齐了:

构造路径 结果 原因
同作用域字面量 a=257; b=257 True 同一代码对象,常量折叠
函数返回字面量 mk257() True co_consts 常量表共享
函数返回运算 250+7 True 常量算术编译期折叠
int('257') 两次构造 False 运行时解析,各自新建
eval('257') 两次 False 独立代码对象,各自编译
int('256') 两次构造 True 缓存区间,与路径无关

看出规律了吗:折叠是"编译期"的事,同一个代码对象内共享常量;一旦跨越代码对象(eval、exec、不同模块),或者绕过编译器在运行时拼出数字(int()、字符串解析),拿到的就是各自新建的对象。

4. 一个 3.12+ 才有的细节:小整数"永生"了

上面 getrefcount(200) 在 3.10 上是 11。同样的代码换到 3.13:

python 复制代码
sys.getrefcount(200)   # 3.13 实测:4294967295

4294967295 是 2^32-1,引用计数的饱和值。这是 PEP 683(不朽对象)在 3.12 落地后的变化:小整数这类永不销毁的对象被标记为 immortal,引用计数不再真实增减,直接顶到饱和。

这意味着一件事:依赖引用计数做对象生命周期推断的代码(比如某些缓存淘汰逻辑),在 3.12+ 上会读到假数字。

5. 所以 is 什么时候能用

把上面的边界收拢成一条铁律:

  • 比值,永远用 ==。 1000 == 1000 恒 True,1000 is 1000 看路径脸色------业务代码里拿 is 比值,等于把正确性交给编译器的优化心情。
  • is 只留三个场景:x is None、x is True、x is False。 None 和布尔值是语言层保证的单例,全进程唯一,is 比较是官方推荐写法(PEP 8 原话)。
  • id() 的结果不要写进任何业务逻辑。 它只是当期内存地址,GC 一跑就变,跨版本还会变。
python 复制代码
def find_flag(cfg):
    if cfg.get('debug') is True:   # 万一上游传了 1 呢?1 is True -> False
        ...
    if cfg.get('debug'):           # 或者 == True

6. 一句话总结

小整数缓存解释了 -5, 256 为什么恒真,常量折叠解释了 257 为什么时真时假------两个机制一个管区间、一个管代码对象边界,叠在一起就是 is 的全部飘忽。 记住 == 比值、is 比单例,这篇实验就可以关掉了。

下一篇聊 try:3.11 说异常"零成本",到底零了哪一段、又贵在哪一段。


系列文章:Python 底层设计逻辑|实验数据均为 CPython 3.10.0 / 3.13.14 实测,可复现。

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