为什么 Python 中的元组是不可变的？

2025年1月5日 | 阅读 4 分钟

Python 是一种高级、解释型编程语言，以其简洁性和可读性而闻名。它的语法强调代码的可读性，让开发人员能够用比 C++ 或 Java 等语言更少的代码行表达想法。Python 支持多种编程范式，包括过程式、面向对象和函数式编程。主要特点包括动态类型、自动内存管理以及支持从 Web 开发到数据分析的各种任务的全面标准库。Python 的设计理念，体现在“Python 之禅”中，提倡代码的清晰和简洁。Python 在学术界和工业界都被广泛使用，其多功能性和庞大的社区支持使其成为初学者和经验丰富的开发人员的热门选择。

元组

Python 中的元组是不可变的、有序的元素序列，通过将元素括在括号 `()` 中并用逗号分隔来定义。

例如：

my_tuple = (1, 2, 3)
print(my_tuple) 

输出

1,2,3

主要特点

不可变：一旦创建，元素就不能被修改。
有序：元素具有明确的顺序，可以通过索引访问。
异构：可以包含不同类型的元素。
固定大小：大小在创建时确定，无法更改。
可哈希：如果只包含可哈希类型，则可以用作字典的键或集合的元素。
支持索引：使用索引访问元素。
支持切片：可以使用切片提取子元组。
拼接和重复：可以使用 `+` 和 `*` 运算符进行拼接或重复。
迭代：可以在循环中进行迭代。
多个返回值：通常用于从函数返回多个值。

元组不可变的原因

性能优化

与列表相比，元组由于不可变，其存储方式可以更有效地利用内存。由于其大小不会改变，Python 可以在创建时为其分配所需的精确内存量。

示例

my_tuple = (1, 2, 3)
print(my_tuple.__sizeof__())  # Smaller memory footprint

输出

线程安全

不可变项可以在线程之间共享，而无需同步。这使得它们本质上是线程安全的。

示例

import threading
def print_tuple(t):
    print(t)
t = (1, 2, 3)
thread = threading.Thread(target=print_tuple, args=(t,))
thread.start()
thread.join()

输出

(1,2,3)

可哈希且可用作字典键

元组可以作为字典的键，因为它们是可哈希的，而列表则不能。

示例

my_dict = {(1, 2): "a", (3, 4): "b"}
print(my_dict[(1, 2)])

输出

简洁性和可预测性

不可变性保证了元组的状态在程序执行期间保持一致，使其更容易推理。

示例

my_tuple = (1, 2, 3)
# my_tuple[0] = 10  # This will raise a TypeError
print(my_tuple)   

输出

(1, 2, 3)

函数式编程范式

函数式编程严重依赖不可变数据结构来避免副作用。

示例

def add_to_tuple(t, value):
    return t + (value,)
my_tuple = (1, 2, 3)
new_tuple = add_to_tuple(my_tuple, 4)
print(new_tuple)  

输出

(1, 2, 3, 4)

易于与多个返回值一起使用

函数通常以元组的形式返回多个值，利用其不可变性来确保返回的数据不会被更改。

示例

def divide_and_remainder(x, y):
    return (x // y, x % y)
quotient, remainder = divide_and_remainder(10, 3)
print(quotient, remainder)  

输出

3 1

如何克服元组的不可变性？

将元组转换为列表再转换回元组

将元组转换为列表，修改列表，然后将其转换回元组。

示例

# Original tuple
my_tuple = (1, 2, 3)
# Convert to list
my_list = list(my_tuple)
# Modify the list
my_list[0] = 10
my_list.append(4)
# Convert back to tuple
new_tuple = tuple(my_list)
print(new_tuple)  

输出

(10, 2, 3, 4)

拼接以创建新元组

通过将原始元组的元素与新元素拼接来创建新元组。

示例

# Original tuple
my_tuple = (1, 2, 3)
# Create a new tuple with changes
new_tuple = (10,) + my_tuple[1:] + (4,)
print(new_tuple)  

输出

(10, 2, 3, 4)

使用切片和与新值结合

使用切片创建包含原始元组的元素和新值的新元组。

示例

# Original tuple
my_tuple = (1, 2, 3)
# Create a new tuple using slicing
new_tuple = my_tuple[:1] + (10,) + my_tuple[2:]
print(new_tuple)  

输出

(1, 10, 3)

使用函数返回修改后的元组

创建一个函数，该函数返回带有所需修改的新元组。

示例

def modify_tuple(t, index, value):
    return t[:index] + (value,) + t[index+1:]
# Original tuple
my_tuple = (1, 2, 3)
# Modify the tuple using the function
new_tuple = modify_tuple(my_tuple, 1, 10)
print(new_tuple)  

输出

(1, 10, 3)

使用命名元组处理更复杂的结构

如果元组很复杂，请考虑使用 `namedtuple` 以提高可读性并通过创建新实例进行修改。

示例

from collections import namedtuple
# Define a namedtuple
Point = namedtuple('Point', 'x y z')
# Create an instance
p1 = Point(1, 2, 3)
# Create a new instance with a modified value
p2 = p1._replace(x=10, z=4)
print(p2)  

输出

Point(x=10, y=2, z=4)

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为什么 Python 中的元组是不可变的？

元组

元组不可变的原因

性能优化

可哈希且可用作字典键

简洁性和可预测性

函数式编程范式

易于与多个返回值一起使用

如何克服元组的不可变性？

将元组转换为列表再转换回元组

拼接以创建新元组

使用切片和与新值结合

使用函数返回修改后的元组

使用命名元组处理更复杂的结构

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可哈希且可用作字典键

简洁性和可预测性

函数式编程范式

易于与多个返回值一起使用

如何克服元组的不可变性？

将元组转换为列表再转换回元组

拼接以创建新元组

使用切片和与新值结合

使用函数返回修改后的元组

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