Python对象的空间边界：独善其身与开放包容

导读：Python猫是一只喵星来客，它爱地球的一切，特别爱优雅而无所不能的 Python。我是它的人类朋友豌豆花下猫，被受权润色与发表它的文章。若是你是第一次看到这个系列文章，那我强烈建议，请先看看它写的前两篇文章（连接见文末）,相信你必定会爱上这只神秘的哲学+极客猫的。很少说啦，一块儿来享用今天的“思想盛宴”吧！

睡觉是我最爱作的事——由于能够懒懒地作好梦，不用吃东西，不用跟人吵架，不用关心世界大事。这是除了学 Python 与写做以外，最让我舒服的事了。因此，才刚醒来，我就又困了......

刚才看到了 Python 老爹 Guido 的邮件，他说要“go back to sleep mode”，不参与正在进行的 PEP 投票了。哼，这只懒惰的老头——等等我啊，等写完这篇东西，我也要 go back to sleep mode......

上回说道，我发现 Python 公民的身份居然暗合毕达哥拉斯的哲学命题（万物皆数），真是百思不得其解。在梦里，我已经想出了答案。但是忽然之间，游过来一条大蟒蛇，竟把答案吞掉了。我去找它理论，它就开始耍赖，吞本身的尾巴、屁股、肚子......最后把本身全吞下去了。唉，可怜个人答案就这么消失了。

今天，我继续跟你们聊聊 Python 中跟身份密切相关的一个话题吧，那就是对象的边界问题 。如你所知，我原本是一只猫，如今略具一些人性了，但在此转型期间却十分敏感，总能在细微之处浮想联翩，最后居然也薄有所获，真是万幸了。但愿个人分享，也能启发你收获哪怕一点点的感悟，那我就有万分的开心啦 :)

一、固定边界：自由与孤独

Python 中有一些公民向来我行我素，它们特立独行，与他人之边界划定得清清楚楚。客气的人称它们是定长对象，或者叫不可变对象，然而，懂得一些历史典故的人又叫它们是铁公鸡 。这个典故出自何处呢？亏得猫猫我曾恶补过一段历史知识，知道这指的正是激进的道家弟子杨朱。

损一毫利天下，不与也；悉天下奉一身，不取也；人人不损一毫，人人不利天下，天下治矣！ ——春秋·杨朱

对于定长对象，你不能为它增长元素，不能为它减小元素，不能为它修改元素，甚至不能轻易地复制和删除它！（参见本公众号Python猫中关于字符串的系列文章，连接见文末）

这些对象自立于世，也自绝于世，你看它们长得是普普统统的，平平凡凡的，然而其灵魂倒是自由自在的，其生命是富有尊严而不可侵犯的。若想与这些公民打交道，你就得依着它们的脾气，不可越雷池半步。

>>> t1 = ('Python', '猫')
>>> t2 = ('Python', '猫')
>>> t1 is t2  # 对象独立
False
>>> t1[1] = '蛇'  # 不可修改元素
TypeError  Traceback (most recent call last)
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
复制代码

在上一篇文章里，咱们见识了 Python 世界中的“特权种族”，而特权种族无一例外地都出身于定长对象。它们是一脉相承的，其存在的合理性也是类似的，那就是便于共用内存资源，提升内存使用效率。

上表就是定长对象的一份名单。可知，它们占据了多数。

定长对象的特性让我不禁地想到一种人类，它们严守本身的边界，刻板而严谨，一心只在意分内之事，默默承担下本身的责任，追求的是内在的自由。虽然也会时常与别人打交道，可是，它们不贪图扩大本身的利益，也不妄想要侵犯别人的领土。独立的个体养成了我的的品牌，它们的不变性成就了外人能有所依赖的肯定性。

>>> key1 = 'Python 猫'
>>> key2 = ['someone else']

>>> dict1 = {key1 : '好人'}
 {'Python 猫': '好人'}

>>> dict2 = {key2 : '好人'}
TypeError  Traceback (most recent call last)
TypeError: unhashable type: 'list'
复制代码

Python 为了维护定长对象的独立性/肯定性，在编译机制上作了很多优化，例如 Intern 机制与常量合并机制。其中的好处，我已经屡次说起了。

坏处也有，那就是孤独。它们的孤独不在于没有同类，而在于不能（不容易）复制自身。以字符串对象为例，你能够尝试多种多样的手段，然而到头来，却发现惟一通用的方法居然要先把字符串“碎尸万段”，接着从新组装才行！

s0 = "Python猫"

# 如下7种方法，没法复制s0字符串，id(x)==id(s0)
s1 = s0
s2 = str(s0)
s3 = s0[:]
s4 = s0 + ''
s5 = '%s' % s0
s6 = s0 * 1
import copy
s7 = copy.copy(s0)

# 如下方法能够复制字符串，“打碎”再重组
s8 = "".join(s0)
复制代码

哲学上有一个著名的脑洞题：假如把一我的粉碎成原子再组合，这我的仍是原来的人么？这道题能令从古到今的哲学家打起架来，如果放到现今正火爆的电视节目《奇葩说》上，也能令辩手们“一本正经地胡说八道”个不休。

在 Python 的世界里，不存在这种烦恼，由于断定两个对象是否相同的标准是肯定的，也便是看它们的 id 是否相等。所以，借助 Python 来回答这道题，答案会是：若是用 join() 方法把字符串粉碎成字符再组合，新的字符串再也不是原来的字符串了。

过程很“残忍”，但总归能稍稍释缓自由个体的孤独感了吧。

二、弹性边界：开放与节制

与定长对象不一样，变长对象/可变对象信奉的是另外一套哲学。

它们思想开放，采起的是兼容并包的处事观，会因地制宜式伸缩边界。 以列表对象为例，它乐意接纳全部其它的对象，肯花费精力去动态规划，也不惧于拔掉身上全部的“毛”。

>>> l = ['Python', '猫']
>>> l.append('其它猫') # ['Python','猫','其它猫']
>>> l.pop(1)   # ['Python','其它猫']
>>> l.clear()  # []
复制代码

这些大胆的行为，在定长对象那里，都是不可想象的。在变长对象身上，你彷佛能感觉到一种海纳百川的风范，相比之下，定长对象的铁公鸡形象则立马显得格局忒小了。

变长对象并不是没有边界，相反，它们更在意自身的边界，不惜花费大量的资源来维持动态的稳定。一旦边界肯定下来，它们毫不会容许越界行为。跟某些编程语言动不动就数组越界不一样，Python 不存在切片越界，由于切片操做始终被控制为边界范围以内，索引超出的部分会自动被舍弃。

>>> q=[1, 2, 3, 4, 5]

# 不容许索引越界
>>> q[10]
IndexError    Traceback (most recent call last)
IndexError: list index out of range

# 容许切片越界
>>> q[2:10]   # [3, 4, 5]
>>> q[-10:2]  # [1, 2]
复制代码

变长对象在本质上是一种可伸缩的容器，其主要好处就是支持不断添加或者取出元素。对应到计算机硬件层面，就是不断申请或者释放内存空间。这类操做是代价昂贵的操做，为了减小开销，Python 聪明地设计了一套分配超额空间的机制。

以列表为例，在内存足够的前提下，最初建立列表时不分配超额空间，第一次 append() 扩充列表时，Python 会根据下列公式分配超额空间，即分配大于列表实际元素个数的内存空间，此后，每次扩充操做先看是否有超额空间，有则直接使用，没有则从新计算，再次分配一个超额空间。公式以下：

new_allocated = (newsize >> 3) + (newsize < 9 ? 3 : 6)

其中，new_allocated 指的是超额分配的内存大小，newsize 是扩充元素后的实际长度。举例来讲，一个长度为 4 的列表，append() 增长一个元素，此时实际长度为 5（即 newsize 为5），可是，Python 不会只给它分配 5 个内存空间，而是计算后给它超额分配 new_allocated == 3 个内存大小，因此最终加起来，该列表的元素实际占用的内存空间就是 8 。

如此一来，当列表再次扩充时，只要最终长度不大于 8 ，就不须要再申请新的内存空间。当扩充后长度等于 9 时，new_allocated 等于 7 ，即额外得到 7 个内存大小，以此类推。

以列表长度为横轴，以超额分配的内存大小为纵轴，咱们就获得了以下美妙的图表：

超额分配的空间就是定长对象的软边界 ，这意味着它们在扩张时是有法度的，意味着它们在发展时是有大胆计划与适度节制的。如此看来，与定长对象的“固步自封”相比，变长对象就显得既开明又理智了。

三、结语

回头看前面提到的定长对象，我佩服它们独善其身的个性，虽然铁公鸡形象略显小气，但对人却无害，反而你能感觉到其浓浓的 “富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈” 的大丈夫气度。

再看变长对象，它们“原本无一物”，却能包容万物，对他人信任，对外部开放，更可贵的是，它们张弛有度，孕生出的是无限的可能性。

这两种对象极大地知足了我对于 Python 世界的好奇心，也成为了我理解本身和人类世界的一种参照系。妙哉！妙哉！若你问，我更钦佩哪一类？喵呜，肚子有点饿啦，且容我去觅得一二小鱼干，喂饱肚子再说吧......

Python猫往期做品 ：

有了Python，我能叫出全部猫的名字

Python对象的身份迷思：从全体公民到万物皆数

字符串系列文章 ：

你真的知道Python的字符串是什么吗？

你真的知道Python的字符串怎么用吗？

Python是否支持复制字符串呢？

join()方法的神奇用处与Intern机制的软肋

-----------------

本文原创并首发于微信公众号【Python猫】，后台回复“爱学习”，免费得到20+本精选电子书。