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Python 为什么只需一条语句“a,b=b,a”,就能直接交换两个变量?

从接触 Python 时起,我就觉得 Python 的元组解包(unpacking)挺有意思,非常简洁好用。

作者:豌豆花下猫来源:Python猫|2020-07-15 09:29

从接触 Python 时起,我就觉得 Python 的元组解包(unpacking)挺有意思,非常简洁好用。

最显而易见的例子就是多重赋值,即在一条语句中同时给多个变量赋值:

  1. >>> x, y = 1, 2 
  2. >>> print(x, y)  # 结果:1 2 

在此例中,赋值操作符“=”号的右侧的两个数字会被存入到一个元组中,即变成 (1,2),然后再被解包,依次赋值给“=”号左侧的两个变量。

如果我们直接写x = 1,2 ,然后打印出 x,或者在“=”号右侧写成一个元组,就能证实到这一点:

  1. >>> x = 1, 2 
  2. >>> print(x)     # 结果:(1, 2) 
  3. >>> x, y = (1, 2) 
  4. >>> print(x, y)  # 结果:1 2 

一些博客或公众号文章在介绍到这个特性时,通常会顺着举一个例子,即基于两个变量,直接交换它们的值:

  1. >>> x, y = 1, 2 
  2. >>> x, y = y, x 
  3. >>> print(x, y) # 结果:2 1 

一般而言,交换两个变量的操作需要引入第三个变量。道理很简单,如果要交换两个杯子中所装的水,自然会需要第三个容器作为中转。

然而,Python 的写法并不需要借助中间变量,它的形式就跟前面的解包赋值一样。正因为这个形式相似,很多人就误以为 Python 的变量交换操作也是基于解包操作。

但是,事实是否如此呢?

我搜索了一番,发现有人试图回答过这个问题,但是他们的回答基本不够全面。(当然,有不少是错误的答案,还有更多人只是知其然,却从未想过要知其所以然)

先把本文的答案放出来吧:Python 的交换变量操作不完全基于解包操作,有时候是,有时候不是!

有没有觉得这个答案很神奇呢?是不是闻所未闻?!

到底怎么回事呢?先来看看标题中最简单的两个变量的情况,我们上dis 大杀器看看编译的字节码:

上图开了两个窗口,可以方便比较“a,b=b,a”与“a,b=1,2”的不同:

  • “a,b=b,a”操作:两个 LOAD_FAST 是从局部作用域中读取变量的引用,并存入栈中,接着是最关键的 ROT_TWO 操作,它会交换两个变量的引用值,然后两个 STORE_FAST 是将栈中的变量写入局部作用域中。
  • “a,b=1,2”操作:第一步 LOAD_CONST 把“=”号右侧的两个数字作为元组放到栈中,第二步 UNPACK_SEQUENCE 是序列解包,接着把解包结果写入局部作用域的变量上。

很明显,形式相似的两种写法实际上完成的操作并不相同。在交换变量的操作中,并没有装包和解包的步骤!

ROT_TWO 指令是 CPython 解释器实现的对于栈顶两个元素的快捷操作,改变它们指向的引用对象。

还有两个类似的指令是 ROT_THREE 和 ROT_FOUR,分别是快捷交换三和四个变量(摘自:ceval.c 文件,最新的 3.9 分支):

预定义的栈顶操作如下:

查看官方文档中对于这几个指令的解释,其中 ROT_FOUR 是 3.8 版本新加的:

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

CPython 应该是以为这几种变量的交换操作很常见,因此才提供了专门的优化指令。就像 [-5,256] 这些小整数被预先放到了整数池里一样。

对于更多变量的交换操作,实际上则会用到前面说的解包操作:

截图中的 BUILD_TUPLE 指令会将给定数量的栈顶元素创建成元组,然后被 UNPACK_SEQUENCE 指令解包,再依次赋值。

值得一提的是,此处之所以比前面的“a,b=1,2”多出一个 build 操作,是因为每个变量的 LOAD_FAST 需要先单独入栈,无法直接被组合成 LOAD_CONST 入栈。也就是说,“=”号右侧有变量时,不会出现前文中的 LOAD_CONST 一个元组的情况。

最后还有一个值得一提的细节,那几个指令是跟栈中元素的数量有关,而不是跟赋值语句中实际交换的变量数有关。看一个例子就明白了:

分析至此,你应该明白前文中的结论是怎么回事了吧?

我们稍微总结一下:

  • Python 能在一条语句中实现多重赋值,这是利用了序列解包的特性
  • Python 能在一条语句中实现变量交换,不需引入中间变量,在变量数少于 4 个时(3.8 版本起是少于 5 个),CPython 是利用了 ROT_* 指令来交换栈中的元素,当变量数超出时,则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 解释器在小小的操作中还提供了几个优化的指令,这绝对会超出大多数人的认知

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