花下貓語：本文是學習群內 櫻雨樓 小姐姐的投稿。之前已發布過她的一篇作品《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 | 原創作者

豌豆花下貓 | 編輯潤色

本文原創并首發于公眾號【Python貓】，未經授權，請勿轉載。

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0 引言

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。

1 什么是指針？為什么需要指針？

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。

2 C++中的引用

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：

2.1 左值引用

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 }

2.2 右值引用

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。

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。

3.2 Python的指針操作

不難發現，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。

3.2.1 構造函數返回指針

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<int> sampleNum(new int(0));

3.2.2 __setitems__操作將隱式解指針

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 = realself.imag = imagdef __repr__(self):return '(%.2f, %.2f)' % (self.real, self.imag)def main():complexObj = Complex(1., 2.)complexObj.real += 1complexObj.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。

4 后記

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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總結

以上是生活随笔為你收集整理的对比 C++ 和 Python，谈谈指针与引用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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