摘要：本文基于與，討論了中與指針及引用相關的一些行為。在這些場合中，移動構造函數和移動賦值操作通過右值引用接管被移動對象。而由于對象從構造函數而來，至此我們可知的構造函數將構造匿名對象，且返回此對象的一個指針。

花下貓語：本文是學習群內 櫻雨樓 小姐姐的投稿。之前已發(fā)布過她的一篇作品《當談論迭代器時，我談些什么？》，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。祝大家讀有所獲，學有所成！

櫻雨樓 | 原創(chuàng)作者

豌豆花下貓 | 編輯潤色

本文原創(chuàng)并首發(fā)于公眾號【Python貓】，未經授權，請勿轉載。

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指針（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）是在指針的基礎上構建出的一個同樣重要的概念。

指針對于任何一個編程語言而言都是必須且重要的，雖然 Python 對指針這一概念進行了刻意的模糊與限制，但指針對于 Python 而言依然是一個必須進行深入討論的話題。

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

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系的：作為一種變量，通過指針可以獲取某個內存地址，從而為訪問此地址上的值做好了準備；作為一種類型，其決定了內存地址的正確偏移長度，其應等于當前類型的單位內存大小。

如果一個指針缺少指針類型，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，指針會因為無法獲知從起點向后進行的偏移量，從而拒絕解指針操作；而如果一個指針缺少地址，即 nullptr，則其根本無法讀取特定位置的內存。

指針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(tài)內存

使得 pass-by-pointer 成為可能

pass-by-pointer 的好處包括但不限于：

避免對實參無意義的值拷貝，大幅提高效率

使得對某個變量的修改能力不局限于變量自身的作用域

使得 swap、移動構造函數、移動賦值運算等操作可以僅針對數據結構內部的指針進行操作，從而避免了對臨時對象、移后源等對象的整體內存操作

由此可見，與指針相關的各操作對于編程而言都是必須的或十分重要的。

在 C++ 中，引用具有與指針相似的性質，但更加隱形與嚴格。C++ 的引用分為以下兩種：

左值引用于其初始化階段綁定到左值，且不存在重新綁定。

左值引用具有與被綁定左值幾乎一樣的性質，其唯一的區(qū)別在于 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
}

右值引用于其初始化階段綁定到右值，其常用于移動構造函數和移動賦值操作。在這些場合中，移動構造函數和移動賦值操作通過右值引用接管被移動對象。

右值引用與本文內容無關，故這里不再詳述。

由上文討論可知，雖然“引用”對于 Python 而言是一個非常常用的術語，但這顯然是不準確的——由于 Python 不存在對左/右值的綁定操作，故不存在左值引用，更不存在右值引用。

不難發(fā)現，雖然 Python 沒有引用，但其變量的行為和指針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(fā)生時，只增加了一次引用計數

變量可以進行重綁定（對應于一個不含頂層 const（top-level const）的指針）

在某些情況下（下文將對此問題進行詳細討論），可通過函數實參修改原值

由此可見，Python 變量更類似于（某種殘缺的）指針變量，而不是引用變量。

對于 Python 的描述，有一句非常常見的話：“一切皆對象”。

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

所以，這句話的準確描述應該更正為：“一切皆（某種殘缺的）指針”。雖然修改后的描述很抽象，但這是更準確的。

而由于對象從構造函數而來，至此我們可知：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系。

用代碼描述，對于Python代碼：

sampleNum = 0

其不類似于 C++ 代碼：

int sampleNum = 0;

而更類似于：

int __tmpNum = 0, *sampleNum = &__tmpNum;

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

Python 與指針的另一個重要聯系在于 Python 的隱式解指針行為。

雖然 Python 不存在顯式解指針操作，但（有且僅有）__setitems__操作將進行隱式解指針，通過此方法對變量進行修改等同于通過解指針操作修改變量原值。

此種性質意味著：

任何不涉及__setitems__的操作都將成為指針重綁定。

對于Python代碼：

numList = [None] * 10

# Rebinding
numList = [None] * 5

其相當于：

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 被綁定到了一個新指針上。

任何涉及__setitems__的操作都將成為解指針操作。

由于 Python 對哈希表的高度依賴，“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：

對數組的索引操作

對哈希表的查找操作

涉及__setattr__的操作（由于 Python 將 attribute 存儲在哈希表中，所以__setattr__操作最終將是某種__setitems__操作）

我們用一個稍復雜的例子說明這一點：

對于以下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()

其相當于：

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;
}

由此可見，無論是 int、float 這種簡單的 Python 類型，還是我們自定義的類，其構造行為都類似使用 new 構造對象并返回指針。

且在 Python 中任何涉及“.”和“[]”的操作，都類似于對指針的“->”或“*”解指針操作。

本文探討了 Python 變量與指針、引用兩大概念之間的關系，主要論證了“Python 不存在引用 ”以及“Python 變量的行為類似于某種殘缺的指針 ”兩個論點。

所有論點均系作者個人觀點，如有錯誤，恭迎指正。

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