基于Python對(duì)象引用、可變性和垃圾回收詳解
變量不是盒子
在示例所示的交互式控制臺(tái)中,無法使用“變量是盒子”做解釋。圖說明了在 Python 中為什么不能使用盒子比喻,而便利貼則指出了變量的正確工作方式。
變量 a 和 b 引用同一個(gè)列表,而不是那個(gè)列表的副本
>>> a = [1, 2, 3] >>> b = a >>> a.append(4) >>> b [1, 2, 3, 4]
如果把變量想象為盒子,那么無法解釋 Python 中的賦值;應(yīng)該把變量視作便利貼,這樣示例中的行為就好解釋了
注意:
對(duì)引用式變量來說,說把變量分配給對(duì)象更合理,反過來說就有問題。畢竟,對(duì)象在賦值之前就創(chuàng)建了
標(biāo)識(shí)、相等性和別名
Lewis Carroll 是 Charles Lutwidge Dodgson 教授的筆名。Carroll 先生指的就是 Dodgson 教授,二者是同一個(gè)人。🌰 用 Python 表達(dá)了這個(gè)概念。
charles 和 lewis 指代同一個(gè)對(duì)象
>>> lewis = charles >>> lewis is charles True >>> id(lewis), id(charles) (4303312648, 4303312648) >>> lewis['balance'] = 950 >>> charles {'name': 'Charles L. Dodgson', 'born': 1832, 'balance': 950}
然而,假如有冒充者(姑且叫他 Alexander Pedachenko 博士)生于 1832年,聲稱他是 Charles L. Dodgson。這個(gè)冒充者的證件可能一樣,但是Pedachenko 博士不是 Dodgson 教授。這種情況如圖
charles 和 lewis 綁定同一個(gè)對(duì)象,alex 綁定另一個(gè)具有相同內(nèi)容的對(duì)象
alex 與 charles 比較的結(jié)果是相等,但 alex 不是charles
>>> lewis {'name': 'Charles L. Dodgson', 'born': 1832, 'balance': 950} >>> alex = {'name': 'Charles L. Dodgson', 'born': 1832, 'balance': 950} >>> lewis == alex True >>> alex is not lewis True
alex 指代的對(duì)象與賦值給 lewis 的對(duì)象內(nèi)容一樣,比較兩個(gè)對(duì)象,結(jié)果相等,這是因?yàn)?dict 類的 __eq__ 方法就是這樣實(shí)現(xiàn)的,但它們是不同的對(duì)象。這是 Python 說明標(biāo)識(shí)不同的方式:a is notb。
示例體現(xiàn)了別名。在那段代碼中,lewis 和 charles 是別名,即兩個(gè)變量綁定同一個(gè)對(duì)象。而 alex 不是 charles 的別名,因?yàn)槎呓壎ǖ氖遣煌膶?duì)象。alex 和 charles 綁定的對(duì)象具有相同的值(== 比較的就是值),但是它們的標(biāo)識(shí)不同。
在==和is之間選擇
== 運(yùn)算符比較兩個(gè)對(duì)象的值(對(duì)象中保存的數(shù)據(jù)),而 is 比較對(duì)象的標(biāo)識(shí)。通常,我們關(guān)注的是值,而不是標(biāo)識(shí),因此 Python 代碼中 == 出現(xiàn)的頻率比 is 高。然而,在變量和單例值之間比較時(shí),應(yīng)該使用 is。目前,最常使用 is檢查變量綁定的值是不是 None。下面是推薦的寫法:
x is None
否定的寫法
x is not None
元組的相對(duì)不可變性
元組與多數(shù) Python 集合(列表、字典、集,等等)一樣,保存的是對(duì)象的引用。 如果引用的元素是可變的,即便元組本身不可變,元素依然可變。也就是說,元組的不可變性其實(shí)是指 tuple 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的物理內(nèi)容(即保存的引用)不可變,與引用的對(duì)象無關(guān)。
>>> t1 = (1, 2, [30, 40]) >>> t2 = (1, 2, [30, 40]) >>> t1 == t2 True >>> id(t1[-1]) >>> t1[-1].append(1000) >>> t1 (1, 2, [30, 40, 1000]) >>> t1 == t2 False
表明,元組的值會(huì)隨著引用的可變對(duì)象的變化而變。元組中不可變的是元素的標(biāo)識(shí)。
默認(rèn)做淺復(fù)制
復(fù)制列表(或多數(shù)內(nèi)置的可變集合)最簡(jiǎn)單的方式是使用內(nèi)置的類型構(gòu)造方法。例如:
>>> l1 = [3, [55, 44], (7, 8, 9)] >>> l2 = list(l1) >>> l3 = l1[:] >>> l2 [3, [55, 44], (7, 8, 9)] >>> l3 [3, [55, 44], (7, 8, 9)] >>> l1 == l2 == l3 True >>> l2 is l1 False >>> l3 is l1 False
為一個(gè)包含另一個(gè)列表的列表做淺復(fù)制;把這段代碼復(fù)制粘貼到 Python Tutor (http://www.pythontutor.com)網(wǎng)站中,看看動(dòng)畫效果
l1 = [3, [66, 55, 44], (7, 8, 9)] l2 = list(l1) #淺復(fù)制了l1 l1.append(100) #l1列表在尾部添加數(shù)值100 l1[1].remove(55) #移除列表中第1個(gè)索引的值 print('l1:', l1) print('l2:', l2) l2[1] += [33, 22] #l2列表中第1個(gè)索引做列表拼接 l2[2] += (10, 11) #l2列表中的第2個(gè)索引做元祖拼接 print('l1:', l1) print('l2:', l2)
l2 是 l1 的淺復(fù)制副本
為任意對(duì)象做深復(fù)制和淺復(fù)制
淺復(fù)制沒什么問題,但有時(shí)我們需要的是深復(fù)制(即副本不共享內(nèi)部對(duì)象的引用)。copy 模塊提供的 deepcopy 和 copy 函數(shù)能為任意對(duì)象做深復(fù)制和淺復(fù)制。
校車乘客在途中上車和下車
class Bus: def __init__(self, passengers=None): if passengers is None: self.passengers = [] else: self.passengers = list(passengers) def pick(self, name): self.passengers.append(name) def drop(self, name): self.passengers.remove(name)
我們將創(chuàng)建一個(gè) Bus 實(shí)例(bus1)和兩個(gè)副本,一個(gè)是淺復(fù)制副本(bus2),另一個(gè)是深復(fù)制副本(bus3),看看在 bus1 有學(xué)生下車后會(huì)發(fā)生什么。
from copy import copy, deepcopy bus1 = Bus(['Alice', 'Bill', 'Claire', 'David']) bus2 = copy(bus1) #bus2淺復(fù)制的bus1 bus3 = deepcopy(bus1) #bus3深復(fù)制了bus1 print(id(bus1), id(bus2), id(bus3)) #查看三個(gè)對(duì)象的內(nèi)存地址 bus1.drop('Bill') #bus1的車上Bill下車了 print('bus2:', bus2.passengers) #wtf....bus2中的Bill也沒有了,見鬼了! print(id(bus1.passengers), id(bus2.passengers), id(bus3.passengers)) #審查 passengers 屬性后發(fā)現(xiàn),bus1和bus2共享同一個(gè)列表對(duì)象,因?yàn)?bus2 是 bus1 的淺復(fù)制副本 print('bus3:', bus3.passengers) #bus3是bus1 的深復(fù)制副本,因此它的 passengers 屬性指代另一個(gè)列表
以上代碼執(zhí)行的結(jié)果為:
4324829840 4324830176 4324830736 bus2: ['Alice', 'Claire', 'David'] 4324861256 4324861256 4324849608 bus3: ['Alice', 'Bill', 'Claire', 'David']
循環(huán)引用:b 引用 a,然后追加到 a 中;deepcopy 會(huì)想辦法復(fù)制 a
>>> a = [10, 20] >>> b = [a, 30] >>> a.append(b) >>> a [10, 20, [[...], 30]] >>> from copy import deepcopy >>> c = deepcopy(a) >>> c [10, 20, [[...], 30]]
函數(shù)的參數(shù)作為引用時(shí)
Python 唯一支持的參數(shù)傳遞模式是共享傳參(call by sharing)。多數(shù)面向?qū)ο笳Z言都采用這一模式,包括 Ruby、Smalltalk 和 Java(Java 的引用類型是這樣,基本類型按值傳參)。共享傳參指函數(shù)的各個(gè)形式參數(shù)獲得實(shí)參中各個(gè)引用的副本。也就是說,函數(shù)內(nèi)部的形參是實(shí)參的別名。
函數(shù)可能會(huì)修改接收到的任何可變對(duì)象
>>> def f(a, b): ... a += b ... return a ... >>> x = 1 >>> y = 2 >>> f(x, y) >>> x, y (1, 2) >>> a = [1, 2] >>> b = [3, 4] >>> f(a, b) [1, 2, 3, 4] >>> a, b ([1, 2, 3, 4], [3, 4]) >>> t = (10, 20) >>> u = (30, 40) >>> f(t, u) (10, 20, 30, 40) >>> t, u ((10, 20), (30, 40))
數(shù)字x沒有變化,列表a變了,元祖t沒變化
不要使用可變類型作為參數(shù)的默認(rèn)值
可選參數(shù)可以有默認(rèn)值,這是 Python 函數(shù)定義的一個(gè)很棒的特性,這樣我們的 API 在進(jìn)化的同時(shí)能保證向后兼容。然而,我們應(yīng)該避免使用可變的對(duì)象作為參數(shù)的默認(rèn)值。
一個(gè)簡(jiǎn)單的類,說明可變默認(rèn)值的危險(xiǎn)
class HauntedBus: ''' 備受折磨的幽靈車 ''' def __init__(self, passengers=[]): self.passengers = passengers def pick(self, name): self.passengers.append(name) def drop(self, name): self.passengers.remove(name) bus1 = HauntedBus(['Alice', 'Bill']) print('bus1上的乘客:', bus1.passengers) bus1.pick('Charlie') #bus1上來一名乘客Charile bus1.drop('Alice') #bus1下去一名乘客Alice print('bus1上的乘客:', bus1.passengers) #打印bus1上的乘客 bus2 = HauntedBus() #實(shí)例化bus2 bus2.pick('Carrie') #bus2上來一名課程Carrie print('bus2上的乘客:', bus2.passengers) bus3 = HauntedBus() print('bus3上的乘客:', bus3.passengers) bus3.pick('Dave') print('bus2上的乘客:', bus2.passengers) #登錄到bus3上的乘客Dava跑到了bus2上面 print('bus2是否為bus3的對(duì)象:', bus2.passengers is bus3.passengers) print('bus1上的乘客:', bus1.passengers)
以上代碼執(zhí)行的結(jié)果為:
bus1上的乘客: ['Alice', 'Bill'] bus1上的乘客: ['Bill', 'Charlie'] bus2上的乘客: ['Carrie'] bus3上的乘客: ['Carrie'] bus2上的乘客: ['Carrie', 'Dave'] bus2是否為bus3的對(duì)象: True bus1上的乘客: ['Bill', 'Charlie']
實(shí)例化 HauntedBus 時(shí),如果傳入乘客,會(huì)按預(yù)期運(yùn)作。但是不為 HauntedBus 指定乘客的話,奇怪的事就發(fā)生了,這是因?yàn)?self.passengers 變成了 passengers 參數(shù)默認(rèn)值的別名。出現(xiàn)這個(gè)問題的根源是,默認(rèn)值在定義函數(shù)時(shí)計(jì)算(通常在加載模塊時(shí)),因此默認(rèn)值變成了函數(shù)對(duì)象的屬性。因此,如果默認(rèn)值是可變對(duì)象,而且修改了它的值,那么后續(xù)的函數(shù)調(diào)用都會(huì)受到影響。
防御可變參數(shù)
如果定義的函數(shù)接收可變參數(shù),應(yīng)該謹(jǐn)慎考慮調(diào)用方是否期望修改傳入的參數(shù)。
例如,如果函數(shù)接收一個(gè)字典,而且在處理的過程中要修改它,那么這個(gè)副作用要不要體現(xiàn)到函數(shù)外部?具體情況具體分析。這其實(shí)需要函數(shù)的編寫者和調(diào)用方達(dá)成共識(shí)。
TwilightBus 實(shí)例與客戶共享乘客列表,這會(huì)產(chǎn)生意料之外的結(jié)果。在分析實(shí)現(xiàn)之前,我們先從客戶的角度看看 TwilightBus 類是如何工作的。
從 TwilightBus 下車后,乘客消失了
class TwilightBus: """讓乘客銷聲匿跡的校車""" def __init__(self, passengers=None): if passengers is None: self.passengers = passengers else: self.passengers = passengers #這個(gè)地方就需要注意了,這里傳遞的是引用的別名 def pick(self, name): self.passengers.append(name) #會(huì)修改構(gòu)造放的列表,也就是會(huì)修改外部的數(shù)據(jù) def drop(self, name): self.passengers.remove(name) #會(huì)修改構(gòu)造放的列表,也就是會(huì)修改外部的數(shù)據(jù) basketball_team = ['Sue', 'Tina', 'Maya', 'Diana', 'Pat'] bus = TwilightBus(basketball_team) bus.drop('Tina') #bus中乘客Tina下去了 bus.drop('Pat') #bus中課程Pat下去了 print(basketball_team) #wtf....為毛線的basketball的里面這兩個(gè)人也木有了~~MMP
以上代碼執(zhí)行的結(jié)果為:
['Sue', 'Maya', 'Diana']
解決方案,不直接引用外部的basketball_team,而是在內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)副本,類似于下面的這種
>>> a = [1, 2, 3] >>> b = a >>> c = list(a) >>> b.append(10) >>> a [1, 2, 3, 10] >>> b [1, 2, 3, 10] >>> c [1, 2, 3]
c是a的副本,不會(huì)因?yàn)楸旧砹斜淼淖兓苡绊?,在上面?🌰 中,只需要在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)副本即可(self.passengers=list(passengers))
del和垃圾回收
del 語句刪除名稱,而不是對(duì)象。del 命令可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)象被當(dāng)作垃圾回收,但是僅當(dāng)刪除的變量保存的是對(duì)象的最后一個(gè)引用,或者無法得到對(duì)象時(shí)。 重新綁定也可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)象的引用數(shù)量歸零,導(dǎo)致對(duì)象被銷毀。
>>> import weakref >>> s1 = {1, 2, 3} >>> s2 = s1 #s1和s2是別名,指向同一個(gè)集合 >>> def bye(): #這個(gè)函數(shù)一定不能是要銷毀的對(duì)象的綁定方法,否則會(huì)有一個(gè)指向?qū)ο蟮囊? ... print('Gone with the wind...') ... >>> ender = weakref.finalize(s1, bye) #在s1引用的對(duì)象上注冊(cè)bye回調(diào) >>> ender.alive#調(diào)用finalize對(duì)象之前,.alive屬性的值為True True >>> del s1 #del不刪除對(duì)象,而是刪除對(duì)象的引用 >>> ender.alive True >>> s2 = 'spam' #重新綁定最后一個(gè)引用s2,讓{1, 2, 3}無法獲取,對(duì)象唄銷毀了,調(diào)用bye回調(diào),ender.alive的值編程了False Gone with the wind... >>> ender.alive False
弱引用
正是因?yàn)橛幸?,?duì)象才會(huì)在內(nèi)存中存在。當(dāng)對(duì)象的引用數(shù)量歸零后,垃圾回收程序會(huì)把對(duì)象銷毀。但是,有時(shí)需要引用對(duì)象,而不讓對(duì)象存在的時(shí)間超過所需時(shí)間。這經(jīng)常用在緩存中。
弱引用不會(huì)增加對(duì)象的引用數(shù)量。引用的目標(biāo)對(duì)象稱為所指對(duì)象(referent)。因此我們說,弱引用不會(huì)妨礙所指對(duì)象被當(dāng)作垃圾回收。
弱引用是可調(diào)用的對(duì)象,返回的是被引用的對(duì)象;如果所指對(duì)象不存在了,返回 None
>>> import weakref >>> a_set = {0, 1} >>> wref = weakref.ref(a_set)#創(chuàng)建弱引用對(duì)象wref,下一行審查它 >>> wref <weakref at 0x101ce03b8; to 'set' at 0x101cd8d68> >>> wref() #調(diào)用wref()返回的是被引用的對(duì)象,{0, 1}。因?yàn)檫@是控制臺(tái)會(huì)話,所以{0, 1}會(huì)綁定給_變量 {0, 1} >>> a_set = {2, 3, 4} #a_set不在指代{0, 1}集合,因此集合的引用數(shù)量減少了,但是_變量仍然指代它 >>> wref() #調(diào)用wref()已經(jīng)返回了{(lán)0, 1} {0, 1} >>> wref() is None#計(jì)算這個(gè)表達(dá)式時(shí),{0, 1}存在,因此wref()不是None,但是,隨后_綁定到結(jié)果值False,現(xiàn)在{0,1}沒有強(qiáng)引用 False >>> wref() is None#因?yàn)閧0, 1}對(duì)象不存在了,所以wref()返回了None True
以上這篇基于Python對(duì)象引用、可變性和垃圾回收詳解就是小編分享給大家的全部?jī)?nèi)容了,希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。
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