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Python為什么只需一條語句“a,b=b,a”，就能直接交換兩個(gè)變量？

 從接觸 Python 時(shí)起，我就覺得 Python 的元組解包(unpacking)挺有意思，非常簡潔好用。

創(chuàng)新互聯(lián)從2013年創(chuàng)立，是專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)公司，擁有項(xiàng)目網(wǎng)站設(shè)計(jì)制作、網(wǎng)站設(shè)計(jì)網(wǎng)站策劃，項(xiàng)目實(shí)施與項(xiàng)目整合能力。我們以讓每一個(gè)夢想脫穎而出為使命，1280元霍爾果斯做網(wǎng)站,已為上家服務(wù),為霍爾果斯各地企業(yè)和個(gè)人服務(wù),聯(lián)系電話:13518219792

最顯而易見的例子就是多重賦值，即在一條語句中同時(shí)給多個(gè)變量賦值：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. >>> x, y = 1, 2 
    2.   
  
  
  
  2. >>> print(x, y)  # 結(jié)果：1 2 
    3.

在此例中，賦值操作符“=”號(hào)的右側(cè)的兩個(gè)數(shù)字會(huì)被存入到一個(gè)元組中，即變成 (1,2)，然后再被解包，依次賦值給“=”號(hào)左側(cè)的兩個(gè)變量。

如果我們直接寫x = 1,2 ，然后打印出 x，或者在“=”號(hào)右側(cè)寫成一個(gè)元組，就能證實(shí)到這一點(diǎn)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. >>> x = 1, 2 
    2.   
  
  
  
  2. >>> print(x)     # 結(jié)果：(1, 2) 
    3.   
  
  
  
  3. >>> x, y = (1, 2) 
    4.   
  
  
  
  4. >>> print(x, y)  # 結(jié)果：1 2 
    5.

一些博客或公眾號(hào)文章在介紹到這個(gè)特性時(shí)，通常會(huì)順著舉一個(gè)例子，即基于兩個(gè)變量，直接交換它們的值：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. >>> x, y = 1, 2 
    2.   
  
  
  
  2. >>> x, y = y, x 
    3.   
  
  
  
  3. >>> print(x, y) # 結(jié)果：2 1 
    4.

一般而言，交換兩個(gè)變量的操作需要引入第三個(gè)變量。道理很簡單，如果要交換兩個(gè)杯子中所裝的水，自然會(huì)需要第三個(gè)容器作為中轉(zhuǎn)。

然而，Python 的寫法并不需要借助中間變量，它的形式就跟前面的解包賦值一樣。正因?yàn)檫@個(gè)形式相似，很多人就誤以為 Python 的變量交換操作也是基于解包操作。

但是，事實(shí)是否如此呢?

我搜索了一番，發(fā)現(xiàn)有人試圖回答過這個(gè)問題，但是他們的回答基本不夠全面。(當(dāng)然，有不少是錯(cuò)誤的答案，還有更多人只是知其然，卻從未想過要知其所以然)

先把本文的答案放出來吧：Python 的交換變量操作不完全基于解包操作，有時(shí)候是，有時(shí)候不是!

有沒有覺得這個(gè)答案很神奇呢?是不是聞所未聞?!

到底怎么回事呢?先來看看標(biāo)題中最簡單的兩個(gè)變量的情況，我們上dis 大殺器看看編譯的字節(jié)碼：

上圖開了兩個(gè)窗口，可以方便比較“a,b=b,a”與“a,b=1,2”的不同：

  • “a,b=b,a”操作：兩個(gè) LOAD_FAST 是從局部作用域中讀取變量的引用，并存入棧中，接著是最關(guān)鍵的 ROT_TWO 操作，它會(huì)交換兩個(gè)變量的引用值，然后兩個(gè) STORE_FAST 是將棧中的變量寫入局部作用域中。
  • “a,b=1,2”操作：第一步 LOAD_CONST 把“=”號(hào)右側(cè)的兩個(gè)數(shù)字作為元組放到棧中，第二步 UNPACK_SEQUENCE 是序列解包，接著把解包結(jié)果寫入局部作用域的變量上。

很明顯，形式相似的兩種寫法實(shí)際上完成的操作并不相同。在交換變量的操作中，并沒有裝包和解包的步驟!

ROT_TWO 指令是 CPython 解釋器實(shí)現(xiàn)的對于棧頂兩個(gè)元素的快捷操作，改變它們指向的引用對象。

還有兩個(gè)類似的指令是 ROT_THREE 和 ROT_FOUR，分別是快捷交換三和四個(gè)變量(摘自：ceval.c 文件，最新的 3.9 分支)：

預(yù)定義的棧頂操作如下：

查看官方文檔中對于這幾個(gè)指令的解釋，其中 ROT_FOUR 是 3.8 版本新加的：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. ROT_TWO 
    2.   
  
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  
  3. Swaps the two top-most stack items. 
    4.   
  
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. ROT_THREE 
    7.   
  
  
  
  7.  
    8.   
  
  
  
  8. Lifts second and third stack item one position up, moves top down to position three. 
    9.   
  
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  
  10.  
    11.   
  
  
  
  11. ROT_FOUR 
    12.   
  
  
  
  12.  
    13.   
  
  
  
  13. Lifts second, third and forth stack items one position up, moves top down to position four. 
    14.   
  
  
  
  14. New in version 3.8. 
    15.

CPython 應(yīng)該是以為這幾種變量的交換操作很常見，因此才提供了專門的優(yōu)化指令。就像 [-5,256] 這些小整數(shù)被預(yù)先放到了整數(shù)池里一樣。

對于更多變量的交換操作，實(shí)際上則會(huì)用到前面說的解包操作：

截圖中的 BUILD_TUPLE 指令會(huì)將給定數(shù)量的棧頂元素創(chuàng)建成元組，然后被 UNPACK_SEQUENCE 指令解包，再依次賦值。

值得一提的是，此處之所以比前面的“a,b=1,2”多出一個(gè) build 操作，是因?yàn)槊總€(gè)變量的 LOAD_FAST 需要先單獨(dú)入棧，無法直接被組合成 LOAD_CONST 入棧。也就是說，“=”號(hào)右側(cè)有變量時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)前文中的 LOAD_CONST 一個(gè)元組的情況。

最后還有一個(gè)值得一提的細(xì)節(jié)，那幾個(gè)指令是跟棧中元素的數(shù)量有關(guān)，而不是跟賦值語句中實(shí)際交換的變量數(shù)有關(guān)?？匆粋€(gè)例子就明白了：

分析至此，你應(yīng)該明白前文中的結(jié)論是怎么回事了吧?

我們稍微總結(jié)一下：

  • Python 能在一條語句中實(shí)現(xiàn)多重賦值，這是利用了序列解包的特性
  • Python 能在一條語句中實(shí)現(xiàn)變量交換，不需引入中間變量，在變量數(shù)少于 4 個(gè)時(shí)(3.8 版本起是少于 5 個(gè))，CPython 是利用了 ROT_* 指令來交換棧中的元素，當(dāng)變量數(shù)超出時(shí)，則是利用了序列解包的特性。
  • 序列解包是 Python 的一大特性，但是在本文的例子中，CPython 解釋器在小小的操作中還提供了幾個(gè)優(yōu)化的指令，這絕對會(huì)超出大多數(shù)人的認(rèn)知

當(dāng)前文章：Python為什么只需一條語句“a,b=b,a”，就能直接交換兩個(gè)變量？
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