Python 中的指针 | 为什么 Python 不支持指针

在本教程中，我们将学习 Python 中的指针，并了解为什么 Python 不支持指针概念。

我们还将了解如何在 Python 中模拟指针。下面是对那些不了解指针的人的指针介绍。

我们还将了解如何在 Python 中模拟指针。下面是对那些不了解指针的人的指针介绍。

什么是指针？

指针是一个非常流行且有用的工具，用于存储变量的地址。如果有人曾经使用过像 C、C++ 这样的低级语言，他/她可能对指针很熟悉。它非常有效地管理代码。对于初学者来说可能有点难，但它是程序中一个重要的概念。然而，它可能导致各种内存管理错误。因此，指针的定义是 -

“指针是保存另一个变量的内存地址的变量。指针变量用星号 (*) 表示。”

让我们看看 C 编程语言中指针的以下示例。

示例 - 如何在 C 中使用指针

输出

Address of o: 2686784
Value of o: 22

Address of pointer po: 2686784
Content of pointer po: 22

Address of pointer po: 2686784
Content of pointer po: 11

Address of o: 2686784
Value of o: 2

除了有用之外，指针在 Python 中不使用。在本主题中，我们将讨论 Python 的对象模型，并了解为什么 Python 中不存在指针。我们还将学习在 Python 中模拟指针的不同方法。首先，让我们讨论为什么 Python 不支持指针。

为什么 Python 不支持指针

不支持指针的确切原因尚不清楚。Python 中是否存在原生指针？Python 的主要概念是其简洁性，但指针违反了 Python 之禅。 指针主要鼓励隐式更改而不是显式更改。它们也很复杂，特别是对于初学者来说。

指针倾向于在代码中产生复杂性，而 Python 主要关注可用性而不是速度。因此，Python 不支持指针。然而，Python 确实提供了一些使用指针的好处。

在理解 Python 中的指针之前，我们需要了解以下几点的基本概念。

• 不可变对象与可变对象
• Python 变量/名称

Python 中的对象

在 Python 中，一切都是对象，甚至是类、函数、变量等。每个对象至少包含三个数据片段。

• 引用计数
• 类型
• 值

让我们一一讨论。

引用计数 - 它用于内存管理。要获取有关 Python 内存管理的更多信息，请阅读 Python 中的内存管理。

类型 - CPython 层用作类型，以确保运行时类型安全。最后，有一个值，它是与对象关联的实际值。

如果我们深入研究这个对象，我们会发现并非所有对象都相同。对象类型之间的重要区别是不可变和可变。首先，我们需要了解对象类型之间的区别，因为它解释了 Python 中的指针。

不可变对象与可变对象

不可变对象不能修改，而可变对象可以修改。让我们看看下面列出的常见类型及其可变性。

我们可以使用 id() 方法检查上述对象的类型。此方法返回对象的内存地址。

我们正在 REPL 环境中输入以下代码。

输出

140720979625920

在上面的代码中，我们将值 10 赋值给 x。如果通过替换修改此值，我们将获得新对象。

输出

140720979625888

正如我们所看到的，我们修改了上面的代码并得到了作为响应的新对象。让我们再举一个 str 的例子。

输出

2315970974512
JavaTpoint
1977728175088

同样，我们通过添加新字符串来修改 x 的值，并获得新的内存地址。让我们尝试直接在 s 中添加字符串。

输出

Traceback (most recent call last):
  File "C:/Users/DEVANSH SHARMA/PycharmProjects/MyPythonProject/python1.py", line 34, in 
    s[0] = T
NameError: name 'T' is not defined

上面的代码返回错误，这意味着字符串不支持修改。所以 str 是不可变对象。

现在，我们将看到可变对象，例如列表。

输出

2571132658944
[3, 4, 8, 4]
2571132658944

正如我们在上面的代码中看到的，my_list 最初具有 ID，我们向列表中追加了 5；my_list 具有相同的 ID，因为列表支持可变性。

理解 Python 变量

Python 中定义变量的方式与 C 或 C++ 有很大不同。Python 变量不定义数据类型。事实上，Python 有名称，而不是变量。

所以我们需要理解变量和名称之间的区别，尤其是在我们探讨 Python 中棘手的指针主题时。

让我们了解变量在 C 中如何工作以及名称在 Python 中如何工作。

C 中的变量

在 C 语言中，变量是保存或存储值的。它使用数据类型定义。让我们看下面的代码，它定义了变量。

• 为整数分配足够的内存。
• 我们将值 286 赋给该内存位置。
• x 代表该值。

如果我们表示内存视图 -

正如我们所看到的，x 有一个用于值 286 的内存位置。现在，我们将新值赋给 x。

x = 250

这个新值会覆盖之前的值。这意味着变量 x 是可变的。

x 的值位置相同，但值发生了变化。这是一个重要的点，表明 x 是内存位置，而不仅仅是它的名称。

现在，我们引入新的变量 y，它将 x 的值赋给它，然后 y 创建一个新的内存盒。

变量 y 创建一个名为 y 的新盒子，并将 x 的值复制到该盒子中。

Python 中的名称

正如我们之前讨论的，Python 没有变量。它有名称，我们将其用作变量。但是变量和名称之间存在差异。让我们看下面的例子。

上面的代码在执行期间被分解。

1. 创建一个 PyObject
2. 将 PyObject 的类型码设置为整数
3. 将 PyObject 的值设置为 289
4. 创建一个名为 x 的名称
5. 将 x 指向新的 PyObject
6. 将 PyObject 的引用计数增加 1

它将如下图所示。

我们可以理解 Python 中变量的内部工作原理。变量 x 指向对象的引用，它不像以前那样拥有内存空间。它还表明 x = 289 将名称 x 绑定到引用。

现在，我们引入新变量并将 x 赋值给它。

在 Python 中，变量 y 不会创建新对象；它只是指向同一对象的新名称。对象的 refcount 也增加了一。我们可以通过以下方式确认。

输出

True

如果我们将 y 的值增加一，它将不再引用相同的对象。

这意味着，在 Python 中，我们不赋值变量。相反，我们将名称绑定到引用。

在 Python 中模拟指针

正如我们所讨论的，Python 不支持指针，但我们可以利用指针的好处。Python 提供了在 Python 中使用指针的替代方法。这两种方法如下所述。

• 使用可变类型作为指针
• 使用自定义 Python 对象

让我们理解给定的要点。

使用可变类型作为指针

在上一节中，我们定义了可变类型对象；我们可以将它们视为指针来模拟指针行为。让我们理解以下示例。

C

在上面的代码中，我们定义了指针 *a，然后我们将值增加一。现在，我们将在 main() 函数中实现它。

输出

y = 233
y = 234

我们可以通过使用 Python 可变类型来模拟这种行为。理解以下示例。

上面的函数访问列表的第一个元素并将其值增加一。当我们执行上面的程序时，它会打印 y 的修改值。这意味着我们可以使用可变对象复制指针。但如果我们尝试使用不可变对象模拟指针。

输出

Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
  File "", line 2, in add_one
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

我们在上面的代码中使用了元组，这是一个不可变对象，所以它返回了错误。我们还可以使用字典来模拟 Python 中的指针。

让我们理解以下示例，在该示例中，我们将计算程序中发生的每个操作。我们可以使用 dict 来实现这一点。

示例 -

输出

2

解释 -

在上面的示例中，我们使用了 count 字典，它跟踪函数调用的次数。当 foo() 函数被调用时，计数器增加 2，因为 dict 是可变的。

使用 Python 对象

在前面的例子中，我们使用 dict 来模拟 Python 中的指针，但有时记住所有使用的键名会变得困难。我们可以使用 Python 自定义类代替字典。让我们理解下面的例子。

示例 -

在上面的代码中，我们定义了 Pointer 类。这个类使用 dict 在 _metrics 成员变量中保存实际数据。它将为我们的程序提供可变性。我们可以如下实现：

我们使用了 @property 装饰器。如果您不熟悉装饰器，请访问我们的 Python 装饰器教程。@property 装饰器将访问 funCalls 和 catPicture_served。现在，我们将创建一个 Pointer 类的对象。

这里我们需要增加这些值。

我们定义了两个新方法 - increment() 和 cat_pics()。我们使用这些函数修改了矩阵字典中的值。在这里，我们可以像修改指针一样修改类。

Python ctypes 模块

Python ctypes 模块允许我们在 Python 中创建 C 类型的指针。如果我们想调用需要指针的 C 库函数，这个模块会很有用。让我们理解以下示例。

示例 - C 语言

在上面的函数中，我们将 x 的值增加了 1。假设我们将上面的文件保存为 incrPointer.c，并在终端中输入以下命令。

第一个命令将 incrPointer.c 编译成一个名为 incrPointer.o 的对象。第二个命令接受对象文件并生成 libinic.so 以与 ctypes 协作。

输出

<_FuncPtr object at 0x7f46bf6e0750>

在上面的代码中，ctypes.CDLL 返回一个名为 libinic.so 的共享对象。它包含 incrPointer() 函数。如果我们需要指定函数指针，我们需要使用 ctypes 来指定。让我们看下面的例子。

如果我们使用不同的类型调用函数，它会抛出错误。

输出

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ctypes.ArgumentError: argument 1: <class 'TypeError'>: expected LP_c_int instance instead of int

这是因为 incrPointer 需要一个指针，而 ctypes 是一种在 Python 中传递指针的方法。

v 是一个 C 变量。ctypes 提供了一个名为 byref() 的方法，用于传递变量引用。

输出

c_int(11)

我们使用引用变量增加了值。

结论

我们讨论了指针在 Python 中不存在，但我们可以使用可变对象实现相同的行为。我们还讨论了 ctypes 模块，它可以在 Python 中定义 C 指针。我们定义了几种在 Python 中模拟指针的优秀方法。