Python 可变类型与不可变类型的内存引用机制详解

Python变量内存地址与ID函数基础

在Python中，一旦定义了数据，系统便会在内存中开辟一块空间来存储该变量的值，这块已分配的内存空间拥有唯一的内存地址。访问这块内存需要借助变量名，变量名实际上存储的是指向该内存地址的引用，但使用print()函数输出时，显示的是这块内存中实际存储的地址值。这属于Python的设计规范，无需过度纠结其实现细节。

若要获取变量在内存中的具体地址，可以使用内置的id()函数。

常规使用场景如下。

基本数据类型的变量赋值与引用

变量之间的赋值操作，本质上是将一个变量的内存地址传递给另一个变量。这样，两个变量便都指向内存中的同一块空间，因此这两个变量的值是相等的。

a = 1
b = a
print("a:%d  b:%d" % (a,b))
print(id(a))
print(id(b))
结果：
a:1  b:1
1711072016

此时，如果有第三个变量c的值与a相等，那么c的地址与a的地址也是一样的。这一点需要牢记。

a = 1
c = 1
print("a:%d  c:%d" % (a,c))
print(id(a))
print(id(c))
结果：
a:1  c:1
1711072016

若此时修改变量c的值，Python会在内存中新开辟一块空间来存储这个新值，并将这块新内存的地址赋值给c。

a = 1
c = 1
c = 2
print("a:%d  c:%d" % (a,c))
print(id(a))
print(id(c))
结果：
a:1  c:2
1711072032

基本数据类型作为函数参数的传递机制

接下来探讨基本数据类型作为函数参数的情况。

基本数据类型作为函数实参传递时，遵循同样的引用逻辑。

a = 1
print(id(a))
def func(x):
  print(id(x))
  x = 2
  print(id(x))
 
func(a)
结果：
1711072016

高级数据类型的引用与修改行为

对于列表、字典等高级数据类型的引用机制，情况有所不同。

列表和字典等高级数据类型的变量名同样存储变量的实际地址。当一个列表名赋值给另一个变量时，这两个变量便指向内存中的同一块地址。

list1 = [1,2,3]
list2 = list1
print(list1,list2)
print(id(list1),id(list2))
结果：
[1, 2, 3] [1, 2, 3]
57931896

需要注意的是，高级数据类型每次加载进内存时，其内存地址可能与上一次不同。

若此时修改list2的值，会影响list1的值，但两个变量在内存中的地址保持不变。这一点与基本数据类型的行为不同。

list1 = [1,2,3]
list2 = list1
print(list1,list2)
print(id(list1),id(list2))
list2.append(4)
print(list1,list2)
print(id(list1),id(list2))
 
结果：
[1, 2, 3] [1, 2, 3]
43841656
[1, 2, 3, 4] [1, 2, 3, 4]
43841656

若此时有第三个列表list3的值也是[1,2,3,4]，可以推测list3的地址与list1的地址应该是一样的，但事实并非如此。如果有第三个列表list3的值也是[1,2,3,4]，相当于在内存中新开辟一块内存来存储这个值。

list1 = [1,2,3]
list2 = list1
list3 = [1,2,3]
print(list1,list2,list3)
print(id(list1),id(list2),id(list3))
结果：
[1, 2, 3] [1, 2, 3] [1, 2, 3]
16775288 16776768

可变与不可变数据类型的核心区别

最后总结可变数据类型与不可变数据类型的核心区别。

在Python中，哪些是可变数据类型，哪些是不可变数据类型？可变数据类型包括列表list和字典dict；不可变数据类型包括整型int、浮点型float、字符串型string和元组tuple。

用一句话来概括上述过程就是：“Python中的不可变数据类型，不允许变量的值发生变化，如果改变了变量的值，相当于是新建了一个对象，而对于相同的值的对象，在内存中则只有一个对象，内部会有一个引用计数来记录有多少个变量引用这个对象；可变数据类型，允许变量的值发生变化，即如果对变量进行append、+=等这种操作后，只是改变了变量的值，而不会新建一个对象，变量引用的对象的地址也不会变化，不过对于相同的值的不同对象，在内存中则会存在不同的对象，即每个对象都有自己的地址，相当于内存中对于同值的对象保存了多份，这里不存在引用计数，是实实在在的对象。”

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