[Python進階]Python Object的比較和複製

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Python 的任何 variable 都是 C++ 的 Object，所以我們在對 Python 的 variable 做任何操作時，其實就是在對 Object 做。例如，我們做 variable 比較時：

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if a == b:
    ...

variable 複製：

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a = [1, 2, 3]
b = list(a)

可是如果只是”賦予”新的 variable，例如：

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a = [1, 2, 3]
b = a
b.append(4)
a
# Output: [1, 2, 3, 4]

b 會影響 a，因為它們共享同個記憶體上的 address。不過透過上面的範例，你可能還是不太清楚：

  • a == b 是比較兩個 object address 相等呢？還是 value 相等呢？
  • b = list(a) 是 shallow copy 還是 deep copy 呢？

比較語法

在 Python 中你應該遇過下面兩個語法，你能分辨出有什麼不同嗎？

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if a == b:
    ...
if a is b:
    ...

== 表示兩個 variables 的”值”是否相等，is 表示兩個 variables 是否為同一個 Object，是否 address 也相同。在 Python 中，我們可以透過 id(variable) 去拿 variable 的唯一 ID，所以判斷 a is b 如同 id(a) == id(b)。我們再看一個百思不得其解的例子：

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a = 10
b = 10
a is b
# Output: True

咦？a 和 b 是兩個不同的變數呀，為何它們的 id 會相同呢？我們說過，Python 的任何 variable 都是 C++ 的 Object，int 也不例外。然而，為了提升性能，C++ 把常用的數字 -5 到 256 先定義好，作為 cache 使用，當 Python 需要時，直接從這個 pool 拿去引用。於是乎：

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a = 257
b = 257
a is b
# Output: False

有興趣的讀者可以試試。再來，我們來探討 == 和 is 性能的部分。通常，is 會比 == 快很多，因為 is 不會被 overload，這樣 Python 就不需要去尋找 __eq__，a == b 實際上做的事情等同於 a.__eq__(b)。

copy 語法

所謂的 copy，指的是重新分配一塊記憶體，創建一個新的 Object，所以它們的 id 肯定是不同的。而 copy 又分 shallow copy 和 deep copy。所謂的 shallow copy，新的 Object 裡面的元素是原本 Object 裡面元素的引用，所以如果 Object 裡面的 Object 被改了，新舊 Object 都會被連動。例如：

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a = [1, [1, 2, 3]]
b = list(a)
b[1].append(4)
b[0] = 2
a
# Output: [1, [1, 2, 3, 4]]

可以看到 variable b append 4 之後，a 裡面的 list 也被影響了。而 deep copy，相對於 shallow copy 來說，會遞迴的方式往裡面一直 copy，所以新的 Object 和舊的 Object 沒有任何關聯。Python 中透過 copy.deepcopy(object) 實現 deep copy，比如：

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import copy
a = [1, [1, 2, 3]]
b = copy.deepcopy(a)
b[1].append(4)
a
# Output: [1, [1, 2, 3]]

我們可以看到 a 不受任何影響即使 b append 了 4。最後我們再來探討 mutable (可變) Object 和 immutable (不可變) Object，看一下下面的例子：

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a = 1000
b = a
a += 1
b
# Output: 1000

我們可以看到，a += 1 後竟然沒有影響 b，不是說 Python 一切 variable 皆是 object 嗎？這是因為在 Python 中 int, float, string, tuple 等屬於 immutable object，不能改 object 裡面的值。我們可以看到 a += 1 之後，a 的 id 變了，代表它被重新賦予新的 object：

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a = 1000
id(a)
# Output: 140628677809328
a += 1
id(a)
# Output: 140628677809168

而 dict, array, set 等等，屬於 mutable object，在 assign 或是當作參數傳進去 function 的時候，會影響該 variable。

總結

這篇文章講了 Python 的 variable 怎麼做比較和複製：

  • Python 的一切皆為 Object，所以比較和複製的思維可以參考 C++
  • Object 間的比較分成 address 和 value 的比較，分別為 is 和 ==
  • Object 間的複製分成 shallow 和 deep copy，一個只複製了第一層的 value，另一個會遞迴複製。