深入探究Python中變量的拷貝和作用域問題

在 python 中賦值語句總是建立對象的引用值，而不是復(fù)制對象。因此，python 變量更像是指針，而不是數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，

這點(diǎn)和大多數(shù) OO 語言類似吧，比如 C++、java 等 ~
1、先來看個(gè)問題吧：

在Python中，令values=[0,1,2];values[1]=values,為何結(jié)果是[0,[...],2]?

>>> values = [0, 1, 2]
>>> values[1] = values
>>> values
[0, [...], 2]
我預(yù)想應(yīng)當(dāng)是    
[0, [0, 1, 2], 2]
但結(jié)果卻為何要賦值無限次？
可以說 Python 沒有賦值，只有引用。你這樣相當(dāng)于創(chuàng)建了一個(gè)引用自身的結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致了無限循環(huán)。為了理解這個(gè)問題，有個(gè)基本概念需要搞清楚。
Python 沒有「變量」，我們平時(shí)所說的變量其實(shí)只是「標(biāo)簽」，是引用。
執(zhí)行    
values = [0, 1, 2]
的時(shí)候，Python 做的事情是首先創(chuàng)建一個(gè)列表對象 [0, 1, 2]，然后給它貼上名為 values 的標(biāo)簽。如果隨后又執(zhí)行    
values = [3, 4, 5]

的話，Python 做的事情是創(chuàng)建另一個(gè)列表對象 [3, 4, 5]，然后把剛才那張名為 values 的標(biāo)簽從前面的 [0, 1, 2] 對象上撕下來，重新貼到 [3, 4, 5] 這個(gè)對象上。

至始至終，并沒有一個(gè)叫做 values 的列表對象容器存在，Python 也沒有把任何對象的值復(fù)制進(jìn) values 去。過程如圖所示： 

執(zhí)行

的時(shí)候，Python 做的事情則是把 values 這個(gè)標(biāo)簽所引用的列表對象的第二個(gè)元素指向 values 所引用的列表對象本身。執(zhí)行完畢后，values 標(biāo)簽還是指向原來那個(gè)對象，只不過那個(gè)對象的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從之前的列表 [0, 1, 2] 變成了 [0, ?, 2]，而這個(gè) ? 則是指向那個(gè)對象本身的一個(gè)引用。如圖所示：

要達(dá)到你所需要的效果，即得到 [0, [0, 1, 2], 2] 這個(gè)對象，你不能直接將 values[1] 指向 values 引用的對象本身，而是需要吧 [0, 1, 2] 這個(gè)對象「復(fù)制」一遍，得到一個(gè)新對象，再將 values[1] 指向這個(gè)復(fù)制后的對象。Python 里面復(fù)制對象的操作因?qū)ο箢愋投悾瑥?fù)制列表 values 的操作是

values[:] #生成對象的拷貝或者是復(fù)制序列，不再是引用和共享變量，但此法只能頂層復(fù)制

所以你需要執(zhí)行

Python 做的事情是，先 dereference 得到 values 所指向的對象 [0, 1, 2]，然后執(zhí)行 [0, 1, 2][:] 復(fù)制操作得到一個(gè)新的對象，內(nèi)容也是 [0, 1, 2]，然后將 values 所指向的列表對象的第二個(gè)元素指向這個(gè)復(fù)制二來的列表對象，最終 values 指向的對象是 [0, [0, 1, 2], 2]。過程如圖所示： 

往更深處說，values[:] 復(fù)制操作是所謂的「淺復(fù)制」(shallow copy)，當(dāng)列表對象有嵌套的時(shí)候也會產(chǎn)生出乎意料的錯(cuò)誤，比如

問：此時(shí) a 和 b 分別是多少？

正確答案是 a 為 [8, [1, 9], 3]，b 為 [0, [1, 9], 3]。發(fā)現(xiàn)沒？b 的第二個(gè)元素也被改變了。想想是為什么？不明白的話看下圖 

正確的復(fù)制嵌套元素的方法是進(jìn)行「深復(fù)制」(deep copy)，方法是

2、引用 VS 拷貝：

（1）沒有限制條件的分片表達(dá)式（L[:]）能夠復(fù)制序列，但此法只能淺層復(fù)制。

（2）字典 copy 方法，D.copy() 能夠復(fù)制字典，但此法只能淺層復(fù)制

（3）有些內(nèi)置函數(shù)，例如 list，能夠生成拷貝 list(L)

（4）copy 標(biāo)準(zhǔn)庫模塊能夠生成完整拷貝：deepcopy 本質(zhì)上是遞歸 copy

（5）對于不可變對象和可變對象來說，淺復(fù)制都是復(fù)制的引用，只是因?yàn)閺?fù)制不變對象和復(fù)制不變對象的引用是等效的（因?yàn)閷ο蟛豢勺?，?dāng)改變時(shí)會新建對象重新賦值）。所以看起來淺復(fù)制只復(fù)制不可變對象（整數(shù)，實(shí)數(shù)，字符串等），對于可變對象，淺復(fù)制其實(shí)是創(chuàng)建了一個(gè)對于該對象的引用，也就是說只是給同一個(gè)對象貼上了另一個(gè)標(biāo)簽而已。

L = [1, 2, 3]
D = {'a':1, 'b':2}
A = L[:]
B = D.copy()
print "L, D"
print L, D
print "A, B"
print A, B
print "--------------------"
A[1] = 'NI'
B['c'] = 'spam'
print "L, D"
print L, D
print "A, B"
print A, B
 
 
L, D
[1, 2, 3] {'a': 1, 'b': 2}
A, B
[1, 2, 3] {'a': 1, 'b': 2}
--------------------
L, D
[1, 2, 3] {'a': 1, 'b': 2}
A, B
[1, 'NI', 3] {'a': 1, 'c': 'spam', 'b': 2}

3、增強(qiáng)賦值以及共享引用：

x = x + y，x 出現(xiàn)兩次，必須執(zhí)行兩次，性能不好，合并必須新建對象 x，然后復(fù)制兩個(gè)列表合并

屬于復(fù)制/拷貝

x += y，x 只出現(xiàn)一次，也只會計(jì)算一次，性能好，不生成新對象，只在內(nèi)存塊末尾增加元素。

當(dāng) x、y 為list時(shí)， += 會自動調(diào)用 extend 方法進(jìn)行合并運(yùn)算，in-place change。

屬于共享引用
    
L = [1, 2]
M = L
L = L + [3, 4]
print L, M
print "-------------------"
L = [1, 2]
M = L
L += [3, 4]
print L, M
 
 
[1, 2, 3, 4] [1, 2]
-------------------
[1, 2, 3, 4] [1, 2, 3, 4]

4、python 從2.x 到3.x，語句變函數(shù)引發(fā)的變量作用域問題

先看段代碼：    
def test():
  a = False
  exec ("a = True")
  print ("a = ", a)
test()
 
b = False
exec ("b = True")
print ("b = ", b)

在 python 2.x 和 3.x 下 你會發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果不一樣：    
2.x：
a = True
b = True
 
3.x：
a = False
b = True

這是為什么呢？

因?yàn)?3.x 中 exec 由語句變成函數(shù)了，而在函數(shù)中變量默認(rèn)都是局部的，也就是說

你所見到的兩個(gè) a，是兩個(gè)不同的變量，分別處于不同的命名空間中，而不會沖突。

具體參考 《learning python》P331-P332

知道原因了，我們可以這么改改：    
def test():
  a = False
  ldict = locals()
  exec("a=True",globals(),ldict)
  a = ldict['a']
  print(a)
 
test()
 
b = False
exec("b = True", globals())
print("b = ", b)

這個(gè)問題在  stackoverflow 上已經(jīng)有人問了，而且 python 官方也有人報(bào)了 bug。。。