吃透Python-第 5 章　对象和类型

在 Python 中，一切皆为对象。为了更好地学习后面的内容，我们先来了解一下对象的本质。

对象和变量
类型和值
引用和绑定
标识值
id 函数
存储空间
赋值语句
del 语句
可变类型
不可变类型
身份运算符（is 运算符和 is not 运算符）
None 和 NoneType 类型
引用计数
浮点型（float 型）的特性和精度
算术转换
用于算术运算的内置函数
按位逻辑运算符（运算符 &、运算符 |、运算符 ^ 和运算符 ~）
位移运算符（运算符 << 和运算符 >>）
1 的补码和 2 的补码

5-1　对象

前面我们使用了各种类型的变量。Python 将一切皆作为对象来处理，所以我们不妨将 Python 中的一切视为对象，而非变量。

什么是对象
　　前面，本书曾将变量解释为“类似于存储值的箱子”。实际上，这是不正确的。在进入下一章的学习之前，我们有必要准确理解变量的概念。

首先来看以下对变量的基本说明。

要点　变量是对象的引用，它只是关联到对象的一个名字。

这种说法有点让人难以理解。我们通过交互式 shell 来进行确认（例 5-1）。

▶ 注意：打印输出的值受程序运行环境等因素的影响。下文亦然。

把 17 赋给变量 n 后，程序调用了两次 id 函数这一内置函数。id 函数用于返回对象的固有值，即标识值（identity）。

▶ 不同对象的标识值一定不同。

Python 的赋值操作并不是像图 5-1 a 那样对值进行复制。

如图 5-1 b 所示，首先有一个值 17 的 int 型对象。为了引用该对象，程序要使用名称 n 进行绑定（bind）。

图 5-1　对变量进行赋值

这就是整数字面量 17 的标识值和变量 n 的标识值相同的原因。

第 1 章讲过，给变量赋的值，其类型可以与存储在该变量中的值的类型不同。我们通过例 5-2 来确认变量的这种特性。

赋值为字符串后，n 的标识值发生了变化。

如图 5-2 所示，变量 n 的引用对象从 int 型的 5 变为了 str 型的 ‘ABC’。

图 5-2　赋值后引用了新的对象

当然，int 型对象 5 的类型和值都没有发生变化。

要点　在对变量进行赋值操作时，不会复制对象的值，只会引用对象。

下面我们来交换两个值（3-2 节）（例 5-3）。

变量 a 的标识值和变量 b 的标识值进行了交换。如图 5-3 所示，交换的是变量的引用对象而不是变量的值。

图 5-3　赋值后交换引用对象

现在，大家应该慢慢理解了 Python 中“没有变量，只有对象”的含义了吧。

各个对象会占一定的存储空间（storage），也就是内存（memory）。因此，标识值一般用存储空间上的地址表示。

要点　在 Python 中，一切皆为对象。对象占一定存储空间，并拥有标识值、类型和值等属性。

▶ 不同的对象拥有不同的标识值，对象能通过标识值来区分。

id 函数用于查看对象的标识值。第 1 章介绍的 type 函数可以查看对象的类型。

可变类型和不可变类型
　　前面的例子只进行了赋值操作并打印输出标识值。下面对变量进行运算，并确认变量值的变化情况。首先是整数（例 5-4）。

使用增量赋值运算符 += 对 n 的值进行递增后，n 的标识值发生了变化。

如图 5-4 所示，n 的引用对象从 int 型对象 12 变为 int 型对象 13。

图 5-4　更新整数值（更新引用对象）

数字和字符串是不可变类型，一旦赋值就不可以改变。

有人可能会反驳说变量 n 的值可以改变，但其实并非如此。正因为整数对象 12 的值不可以改变，所以我们才对 n（的引用对象）进行更新，以引用另一个整数对象 13。

▶ immutable 的意思是“不可变的”，下文提到的 mutable 的意思是“可变的”。

字符串也是如此。我们可以通过例 5-5 进行确认。

程序生成了新的字符串，在字符串拼接后，s 的标识值发生了变化（图 5-5）。

图 5-5　更新字符串（更新引用对象）

Python 有两种类型，分别是不可变类型和可变类型。其中，可变类型的值在给定后可以发生改变。

要点　Python 的类型根据值是否可变分为两类。

可变类型：列表、字典、集合等　　　　　　※值可以改变。
不可变类型：数字、字符串、元组等　　　　※值不可以改变。

另外，可变类型对象和不可变类型对象都不能更改类型本身。

身份运算符（is 运算符和 is not 运算符）
　　第 3 章讲解的比较运算符 == 和 !=，正如其名字表达的含义一样，是判断对象的值是否相等的运算符。因此，即使 x 和 y 是不同的对象，只要它们的值相等或者不相等，相应的运算符判断就能成立。

表 5-1 的身份运算符与比较运算符相似却不同。is 运算符和 is not 运算符用于判断对象本身是否相同，即对象本身是否具有同一性，不用于判断对象的值是否相等。

▶ 具体来说，身份运算符用于判断等号两边对象的标识值是否相等。像 a is b is c 这样连续使用该运算符的效果，与用 and 进行结合的效果相同。

表 5-1　身份运算符

代码清单 5-1 是判断两个变量同一性的示例程序。

程序读取变量 a 的值和变量 b 的值后判断它们是否相同。

图 5-6 显示了两个运行结果中变量和对象的情况。

图 5-6　变量的同一性（is 运算符和 is not 运算符）

在读取相同值的例子中，因为两个变量引用了相同的对象，所以 a is b 求值后为 True。

这里，程序使用了不可变的 int 型，而实际中程序一般会使用 is 运算符和 is not 运算符比较可变对象，或将可变对象与 None 进行比较。

▶ 存在值相同但标识值不同的情况（后面的章节会介绍）。

赋值语句
　　第 1 章介绍过，用于赋值的分隔符 = 不是运算符，而且赋值语句的内涵非常丰富。学到这里，相信大家对赋值语句已经有了一定的理解，现在我们来做一下总结。

在使用赋值语句时：

　 1等号右边的值没有复制到等号左边。

　 2等号左边的变量名绑定到等号右边的对象（使变量可以引用对象）。

　 3等号左边的变量名如果是第一次使用，则新生成一个变量。

▶  3的内容和作用域相关，所以规则比较复杂，第 9 章我将对此进行详细介绍。

del 语句
　　与赋值语句相对的是 del 语句（del statement）。del 语句用于删除只作为名字的变量。我们通过例 5-6 来进行确认。

删除变量 x 后，如果输出 x 的值就会产生错误。

▶ 例 5-6 是有意设计的示例。在实际的程序中，我们可以使用 del 语句删除列表中的元素。

del 语句解除了名称与对象的绑定。如果该名称是对象的唯一引用，程序就能释放该对象的内存（第 117 页的专栏 5-1）。

▶ 使用 del 语句释放对象后，该对象的标识值可以被之后生成的其他对象使用。

None
　　NoneType 类型（NoneType type）的 None 可以识别任何对象。None 是一种特殊的值，用于区分“空值”和“不存在的值”。

▶ None 是拥有 NoneType 类型的值的唯一对象。另外，None 的标识值可以通过 id(None) 查看。None 的标识值与其他对象的标识值都不同。

如果对 None 求逻辑值会得到“假”。但 None 本身并不是逻辑值 False。

▶ 整数 0、浮点数 0.0、空字符串 ''、空列表 []、空元组 ()、空字典 {}、空集合 set() 等都被程序视为假（第 52 页），而且都与 None 不相等。

我们可以通过代码清单 5-2 ~代码清单 5-5 来确认上述内容。

另外，使用 str 函数转换 None 会得到字符串 ‘None’。

可使用 x or ‘’ 的情况有：在变量 x 引用了字符串的情况下，想得到该字符串本身；在变量 x 为 None 的情况下，想得到空字符串。现在我们通过例 5-7 来进行确认。

▶ 这里利用了 or 表达式的特性，即“x or y”求值后的值是 x 或 y（第 56 页、第 58 页）。

专栏 5-1　不再使用的对象会去哪里

本节提到过变量只用于引用对象，如果不可变类型的变量值更新，标识值也会更新，以引用其他对象。

那么，不再被引用（不再使用）的对象会去哪里呢？如果它们就这样闲置，会占用存储空间。

答案是，Python 使用了引用计数对此进行管理，让程序保存了各个对象被多少个变量所引用（如果某个对象被变量 a 和变量 b 引用，引用计数就为 2）。

如果对象的引用计数为 0，程序则认为不再需要该对象，并释放该对象占有的存储空间（该存储空间可以被再次使用）。注意，该操作并非立即进行。

在 C 语言中有多种存储空间的管理方式，包括程序从开始到结束始终保持存储空间的静态存储期（静态存储生命周期）、只在代码块中保持存储空间的自动存储期等。Python 对存储空间的管理方式与之完全不同。

5-2　类型和运算

我们已经知道，Python 中“只有对象”，变量只不过是名字而已。本节，我会讲解对象的类型和运算。

对象和内置类型
　　我们已经学习了许多类型。表 5-2 是 Python 主要内置类型（built-in type）的一览表（可变类型使用红字标记）。

表 5-2　主要的内置类型

▶ 序列型、集合型、映射型将分别在第 6 章、第 7 章和第 8 章进行讲解。

　这张表展示的就是数据类型。函数（第 9 章）、模块（第 10 章）、类（第 11 章）等也是对象，都有各自的类型。因为在 Python 中一切皆为对象，所以类型本身也是一种对象。

逻辑型
　　第 3 章介绍了用于表示真假的逻辑型（bool 型）。现在我们通过例 5-8 确认一下 True 的值和 False 的值。

▶ Python 中有一个 True 对象和一个 False 对象。因此程序会反复使用这些已有的对象，而不是调用 bool(7) 或 bool(0) 来生成新的对象。

浮点型和实数的运算
　　第 1 章演示过在 Python 程序中 7 除以 3 得到的商存在误差（第 8 页）。

结果的小数部分本应该是 3 无限循环下去，但实际结果的第 16 位变成了 5。这是因为浮点型（float 型）表示的值在大小和精度方面存在限制。

我们通过假设来对此进行理解。

假设最大可以表示 12 位数字，精度为 6 位有效数字。

以 1234567890 为例。该数字有 10 位，在最大的数字范围 12 位以内。但是，由于该数字的精度不超过 6 位，所以对左数第 7 位进行四舍五入后得到 1234570000。图 5-7 是该数字在数学上的表示方法。

图 5-7　尾数和指数

图中的 1.23457 称为尾数，9 称为指数。尾数的位数相当于精度，指数的值相当于大小。

这里使用了十进制数，而实际上尾数部分和指数部分在 Python 内部都用二进制数表示。因此，在大小为 12 位、精度为 6 位的上述示例中，用十进制整数无法准确表示结果。

表示浮点数的 float 型，其属性与运行环境有关。因此，Python 提供了 sys.float_info 来查看 float 型的属性。具体请看例 5-9。

▶ 不同运行环境下输出的值不同。

　　　max, min　　　可以表示的最大值/最小值

　　　max_exp　　　 可以表示的最大整数

　　　dig　　　　　 可以正确表示的最大十进制浮点数的位数

　　　epsilon　　　  1 和程序可以表示的最临近的 float 值之间的差（即机器精度）

　这里就不说明其他值的含义了，请读者自行查阅各类文档。

　因为浮点数的精度有限，所以在财务计算等对准确度要求较高的情况下，我们需要使用定义在 decimal 模块中的 Decimal 型（请自行查阅相关内容）。

　另外，chap05/float_info.py 是与例 5-9 的输出内容相同的脚本程序。

算术转换
　　例 1-6 进行了整数和浮点数的运算。在对 7（或 7.0）和 3（或 3.0）进行加法运算时，只有 3 + 7 的结果是 int 型的整数，除此之外都是 float 型的浮点数。

这是因为算术运算遵循以下规则。

如果其中一个操作数为复数，则另一个操作数转换为复数。
如果操作数都不是复数且其中一个操作数是浮点数，则另一个操作数转换为浮点数。
如果操作数既不是复数，也不是浮点数，则双方的参数必须为整数，此时不需要转换。

算术运算使用的内置函数
　　Python 提供了许多内置函数来进行四则运算以外的算术运算。表 5-3 为这些内置函数的一览表。

代码清单 5-6 使用了该表格内的部分函数。

在蓝色底纹部分中，传递给 sum 函数的实参是用 () 包围的 (x, y, z)，而不是 x, y, z。多个值用 () 包围后就变成了一个值（元组）。

▶ 元组的相关内容会在第 8 章进行讲解。

　另外，float 函数、hex 函数、int 函数、oct 函数和 sum 函数均已介绍。

　在给 pow 函数指定第 3 个参数 z 时，z 不能是负数。同时，x 和 y 必须是整数。

复数型
　　复数型（complex type）又称 complex 型，通过两个浮点数来表示值。实数部分和虚数部分不为 0 的复数用类似于 3.2 + 5.7j 的形式表示。5.7j 的部分称为虚数字面量。这些内容我们在第 3 章已经学习过了。

在 Python 中可以调用 z.real 和 z.imag 取出复数 z 的实数部分和虚数部分。下面是生成一个复数后取出其实数部分和虚数部分的示例。

▶ 本书作为入门书，对复数型的讲解到此为止。

处理位的运算符
　　在计算机内部，数值表现为位的 OFF/ON，而与之对应的是二进制数。大多数编程语言提供了处理位的方法。

Python 提供了专门用于处理整数位的运算符，我们来学习一下这些运算符。

按位逻辑运算符
　　首先来看对位进行逻辑运算的 4 种运算符。

& … 按位与运算符（bitwise and operator）

　| … 按位或运算符（bitwise inclusive or operator）

　^ … 按位异或运算符（bitwise exclusive or operator）

　~ … 按位取反运算符（bitwise invert operator）

前 3 个运算符是二元运算符，只有运算符 ~ 是一元运算符。这些运算符的大致情况如表 5-4 所示。

表 5-4　按位逻辑运算符

▶ 操作数必须是整数。优先级从高到低依次为 ~、&、^ 和 |。另外，关于运算符 ~ 生成的值，我们会在第 125 页的专栏 5-2 中学习。

图 5-8 汇总了各个逻辑运算的真值表。

▶ a 、b  和 d 与第 3 章讲解的逻辑运算符类似（第 57 页表 3-2）。

图 5-8　位的逻辑运算

代码清单 5-7 对这些运算符进行了演示。程序读取两个整数，并打印输出各种逻辑运算的结果。

▶ 该程序在进行屏幕输出时使用了一些技巧。

　变量 f 的值为用于格式化的字符串（6-3 节将对此进行详细讲解）。像运行示例那样，如果 w 等于 8，f 则变为 '{:08b}'。这是因为 '{{' 会变为 '{'，'}}' 会变为 '}'，'{}' 会变为 w（十进制数 w 变成了字符串）。

变量 m 的值为 2w -1。该值是一个有 w 位的二进制数，而且每一位都为 1。像运行示例那样，如果 w 等于 8，则 m 变成二进制数 0b11111111。

~ x 表示对 x 的位取反后的值。在 Python 的语言实现中，~ x 即 -(x + 1)（专栏 5-2）。

▶ 因为 ~ a 和 ~ b 变成负值，所以该程序输出了它们与 m 求逻辑与之后的值。

逻辑运算的应用
　　逻辑与、逻辑或和逻辑异或的运算符有以下用途。

逻辑与　：清除任意位（位变为 0）。
逻辑或　：设置任意位（位变为 1）。
逻辑异或：反转任意位。

代码清单 5-8 对此进行了演示。程序针对整数 a 的后 4 位执行清除、设置和反转操作并输出相应的结果。

▶ 仅针对后 4 位执行清除、设置和反转操作，其他位保持原样。

位移运算符
　　<< 运算符（<< operator）和 >> 运算符（>> operator）可将整数中所有的位向左或向右移动（错位），并生成相应的值。

这两个运算符统称为位移运算符（bitwise shift operator），如表 5-5 所示。

表 5-5　位移运算符

▶ 操作数必须是整数。

代码清单 5-9 从键盘读取整数后，对整数进行左移和右移，并输出相应结果。

▶ 在显示的字符串中，{:b} 表示以二进制数的格式输出字符串（6-3 节将对此进行讲解）。

现在我们运行该程序，来看一下两个运算符的作用。

使用运算符 << 进行左移

表达式 x<< n 表示 x 的所有的位左移 n 位。此时，右侧新产生的位填 0（图 5-9 ）。左移后的结果为 x×2n。

▶ 因为二进制数每一位的权重是 2 的多次幂，所以如果左移 1 位，值就会变为原来的 2 倍。这和十进制数左移 1 位，值就会变为原来的 10 倍（例如，196 左移 1 位变成 1960）的原因相同。

使用运算符 >> 进行右移

x>>n 表示 x 的所有的位右移 n 位。右侧的 n 位被移出。右移后的结果为 x÷2n（图 5-9）。

▶ 二进制数右移 1 位，值就会变为原来的一半。这和十进制数右移 1 位，值就会变为原来的十分之一（例如，196 右移 1 位变成 19）的原因相同。

另外，如果不需要生成位移后的值，只对变量值本身进行位移，则可以使用增量赋值运算符 <<= 和 >>=。

图 5-9　对整数进行位移运算

整数左移 n 位和右移 n 位的结果分别与整数乘以 2n 和除以 2n 的结果相同。我们来通过代码清单 5-10 进行确认。

这里的运行示例输出的位移运算结果是负数。不论 x 是正数还是负数，程序都会按预想的情况进行位移运算。

专栏 5-2　补码和按位取反运算符

C 语言等编程语言一般只能表示16位或32位的有限位整数，并且符号也含在其中。

在这些编程语言中，负整数在内部的典型表示方式是 1 的补码（one’s complement）或 2 的补码（two’s complement）

图 5C-1 为求 1 的补码和 2 的补码的步骤（以整数 5 为例）。

图 5C-1　求出补码的步骤

1 的补码通过反转所有位得到。
2 的补码通过对 1 的补码加 1 得到。
　　在 Python 内部，负整数并不使用 1 的补码或 2 的补码表示（因为没有必要）。

按位取反运算符 ~ 其实没有反转位。~x 的运算结果通过模仿补码的表示方式计算 -(x + 1) 得到。

另外，连续使用两次运算符 ~ 会得到原来的值。假设 x 等于 5，~x 就等于 -6。对 -6 使用运算符 ~ 会得到 5，即 ~~x 等于 x。

总结
在 Python 中，变量、函数、类和模块皆为对象。
对象会占一定的存储空间（内存），并且拥有标识值（用于判断是否为同一个对象）、类型和值等属性。可以使用 id 函数获取标识值，使用 type 函数获取类型。
变量只是一个和对象绑定（引用对象）的名字。
is 运算符和 is not 运算符是身份运算符，用于判断对象是否为同一个（标识值是否相等）。
在 Python 中，根据值是否可以改变，类型可分为两类。

可变类型：　列表、字典、集合等　　　　　※值可以改变。
不可变类型：数字、字符串、元组等　　　　※值不可以改变。
如果对不可变类型的变量（引用的对象）的值进行变更，则会生成新的对象，然后变量重新引用新的对象。

赋值语句复制的是对象的引用而不是值。另外，赋值的对象，即等号左边的变量名如果是首次使用，程序则生成新的变量并与等号右边的对象进行绑定。

与赋值语句相对应的是 del 语句，它用于删除作为名字的变量名。

None 与任何对象都不同，是 NoneType 类型的特殊值。
其他编程语言使用存储期（存储空间生命周期）对变量和对象进行管理。Python 与之不同，它使用引用计数，即引用对象的变量的个数，对变量和对象进行管理。
内置类型包括数值型（int 型、bool 型、float 型和 complex 型）、序列型（str 型、list 型和 tuple 型等）、集合型（set 型、frozenset 型）和映射型（dict 型）。
浮点型（float 型）可以表示的值在大小和精度方面存在限制。使用 sys.float_info 可以查看浮点型的属性。
在进行算术运算时，程序会根据操作数的类型进行算术转换。
复数型是用表示实数部分和虚数部分的两个浮点数来表示值的类型。例如 3.2 + 5.7j。其中，5.7j 称为虚数字面量。
因为在计算机内部，数值用位的 ON/OFF 来表示，所以 Python 可以轻易地表示二进制数。
Python 提供了求逻辑与的运算符 &、求逻辑或的运算符 |、求逻辑异或的运算符 ^ 和生成取反后的值的运算符 ~ 等按位逻辑运算符。

位移运算符 << 和 >> 将整数中的所有的位向左或向右移动后生成相应的值。