Python可变与不可变对象详解

积累知识，胜过积蓄金银！毕竟在文章开发的过程中，会遇到各种各样的问题，往往都是一些细节知识点还没有掌握好而导致的，因此基础知识点的积累是很重要的。下面本文《Python中可变与不可变对象的区别》，就带大家讲解一下知识点，若是你对本文感兴趣，或者是想搞懂其中某个知识点，就请你继续往下看吧~

可变对象允许原地修改内容且内存地址不变，如列表、字典；不可变对象一旦创建内容不可变，任何“修改”都生成新对象，如整数、字符串、元组。该区别影响变量赋值、函数传参及数据结构使用，尤其在函数中对可变参数的原地修改会影响外部对象，而不可变对象则不会；此外，只有不可变对象才能作为字典键或集合元素，因其哈希值需稳定，确保哈希表机制正常工作。

Python中的可变对象和不可变对象，简单来说，核心区别在于它们被创建之后，其内部状态能否被修改。可变对象允许你在不改变其内存地址的前提下修改其内容，而不可变对象一旦创建，其值就固定了，任何看起来是“修改”的操作，实际上都是创建了一个新的对象。理解这一点，对于我们在Python中处理数据、避免一些隐蔽的bug，以及优化代码性能，都至关重要。

解决方案

在Python的世界里，对象的这种“变”与“不变”属性，是其数据模型中一个非常基础但又极其关键的特性。它不仅仅是理论上的概念，更是实实在在影响我们日常编码行为的。

不可变对象 (Immutable Objects) 这类对象，一旦创建，其内部状态（值）就不能被改变。如果你尝试修改一个不可变对象，Python并不会在原地修改它，而是会创建一个新的对象，并将变量引用指向这个新对象。 常见的不可变对象包括：

• 数字 (Numbers): int, float, complex, bool
• 字符串 (Strings): str
• 元组 (Tuples): tuple
• 冻结集合 (Frozensets): frozenset

举个例子，当我们写 a = 10，然后 a = a + 1 时，表面上看是把 a 的值从10改成了11。但实际上，Python首先创建了一个值为10的整数对象，让 a 指向它；然后，在执行 a + 1 时，Python创建了一个值为11的新整数对象，最后让 a 重新指向这个新对象。原来的值为10的对象，如果不再被任何变量引用，就会被垃圾回收。

可变对象 (Mutable Objects) 与不可变对象相反，可变对象在创建后，其内部状态可以被修改，而且这种修改是“原地”进行的，也就是说，对象的内存地址通常不会改变。 常见的可变对象包括：

• 列表 (Lists): list
• 字典 (Dictionaries): dict
• 集合 (Sets): set
• 字节数组 (Bytearrays): bytearray

比如，my_list = [1, 2, 3]。如果我们执行 my_list.append(4)，这个列表对象本身并没有变，它还是那个列表，只是其内部多了一个元素。它的内存地址（可以用 id() 函数查看）通常是保持不变的。这种原地修改的能力，让可变对象在处理需要频繁增删改查的数据时显得非常灵活和高效。

我觉得，这个区分之所以重要，是因为它直接影响到我们对变量赋值、函数参数传递以及数据结构行为的理解。有时候，我们可能会因为对这个概念的模糊，而写出一些有意外副作用的代码，尤其是在函数调用或者多线程环境中。

Python中如何判断一个对象是可变还是不可变？

判断一个对象是可变还是不可变，其实有好几种方法，有些直观，有些则需要一点点代码验证。我个人最常用的，也是最直接的方法，就是利用 id() 函数来观察其内存地址的变化，或者干脆就记住那些常见的类型。

1. 使用 id() 函数观察内存地址： 这是最靠谱的验证方法。id() 函数会返回一个对象的唯一标识符，这个标识符在对象的生命周期内是不会改变的，通常可以理解为它的内存地址。

• 对于不可变对象： 任何“修改”操作后，对象的 id() 值都会发生变化，因为它实际上是创建了一个新对象。

  num = 10
  print(f"原始数字的ID: {id(num)}") # 比如：140737352316480
  num = num + 1 # 看起来是修改，实则创建新对象
  print(f"修改后数字的ID: {id(num)}") # 比如：140737352316512 (ID变了)
  
  s = "hello"
  print(f"原始字符串的ID: {id(s)}") # 比如：2346048560304
  s += " world" # 同样是创建新字符串
  print(f"修改后字符串的ID: {id(s)}") # 比如：2346048560464 (ID变了)

• 对于可变对象： 在进行原地修改操作（如 append, extend, pop, update 等）后，对象的 id() 值会保持不变，因为它是在原有对象上进行修改。

  my_list = [1, 2, 3]
  print(f"原始列表的ID: {id(my_list)}") # 比如：2346048560640
  my_list.append(4) # 原地修改
  print(f"修改后列表的ID: {id(my_list)}") # 比如：2346048560640 (ID不变)
  
  my_dict = {'a': 1}
  print(f"原始字典的ID: {id(my_dict)}") # 比如：2346048560768
  my_dict['b'] = 2 # 原地修改
  print(f"修改后字典的ID: {id(my_dict)}") # 比如：2346048560768 (ID不变)

  这里有个小陷阱，如果你对可变对象进行赋值操作，比如 my_list = [5, 6]，那么 my_list 的 id() 也会变，因为你让它指向了一个全新的列表对象。所以，关键在于区分是“原地修改”还是“重新赋值”。

2. 查阅文档或记住常见类型： 这是最省事的方法。Python的官方文档对每种内置类型都有详细说明。一般来说：

• 不可变： int, float, str, tuple, frozenset
• 可变： list, dict, set, bytearray

3. 尝试调用修改方法： 如果一个对象有 append(), extend(), insert(), pop(), remove(), sort() (针对列表) 或 add(), update(), clear() (针对集合/字典) 等方法，并且这些方法会改变对象自身的内容，那么它很可能就是可变对象。不可变对象通常没有这些原地修改的方法，或者其方法（如字符串的 replace()）会返回一个新的对象。

我个人觉得，对于初学者来说，先记住那些常见的可变和不可变类型，然后通过 id() 函数去验证和加深理解，是最好的学习路径。这能帮助你建立起对Python内存管理更直观的感受。

可变对象和不可变对象在函数参数传递中有什么区别？

在Python中，函数参数传递采用的是“传对象引用”（pass-by-object-reference）的机制，这和C++的“传值”或“传引用”有所不同，它介于两者之间，但又独具特色。可变对象和不可变对象在这个机制下的行为差异，是很多Python新手容易混淆，甚至老手也偶尔会踩坑的地方。

1. 传递不可变对象作为参数： 当你将一个不可变对象（如整数、字符串、元组）作为参数传递给函数时，函数内部对这个参数的任何“修改”操作，实际上都会在函数内部创建一个新的局部变量，并让这个局部变量指向新的对象。原始的外部对象不会受到任何影响。

def modify_immutable(num_param, str_param):
    print(f"函数内部 - 原始数字ID: {id(num_param)}")
    num_param += 1 # 实际是创建了一个新的整数对象，num_param指向它
    print(f"函数内部 - 修改后数字ID: {id(num_param)}")
    print(f"函数内部 - 修改后数字: {num_param}")

    print(f"函数内部 - 原始字符串ID: {id(str_param)}")
    str_param += " world" # 实际是创建了一个新的字符串对象
    print(f"函数内部 - 修改后字符串ID: {id(str_param)}")
    print(f"函数内部 - 修改后字符串: {str_param}")

my_num = 10
my_str = "hello"

print(f"函数外部 - 原始数字ID: {id(my_num)}")
print(f"函数外部 - 原始字符串ID: {id(my_str)}")

modify_immutable(my_num, my_str)

print(f"函数外部 - 调用后数字: {my_num}, ID: {id(my_num)}") # 外部my_num不变
print(f"函数外部 - 调用后字符串: {my_str}, ID: {id(my_str)}") # 外部my_str不变

你会发现，函数内部 num_param 和 str_param 的 id 变了，但函数外部 my_num 和 my_str 的 id 及其值都保持不变。这是因为 num_param += 1 这样的操作，对于不可变对象来说，意味着重新绑定到一个新对象。

2. 传递可变对象作为参数： 当你将一个可变对象（如列表、字典、集合）作为参数传递给函数时，函数内部和外部的变量都指向同一个对象。因此，如果在函数内部对这个可变对象进行“原地修改”操作（例如 list.append(), dict.update()），这些修改会直接反映到函数外部的原始对象上。

def modify_mutable(list_param, dict_param):
    print(f"函数内部 - 原始列表ID: {id(list_param)}")
    list_param.append(4) # 原地修改，外部列表也会受影响
    print(f"函数内部 - 修改后列表ID: {id(list_param)}")
    print(f"函数内部 - 修改后列表: {list_param}")

    print(f"函数内部 - 原始字典ID: {id(dict_param)}")
    dict_param['c'] = 3 # 原地修改，外部字典也会受影响
    print(f"函数内部 - 修改后字典ID: {id(dict_param)}")
    print(f"函数内部 - 修改后字典: {dict_param}")

my_list = [1, 2, 3]
my_dict = {'a': 1, 'b': 2}

print(f"函数外部 - 原始列表ID: {id(my_list)}")
print(f"函数外部 - 原始字典ID: {id(my_dict)}")

modify_mutable(my_list, my_dict)

print(f"函数外部 - 调用后列表: {my_list}, ID: {id(my_list)}") # 外部my_list已改变
print(f"函数外部 - 调用后字典: {my_dict}, ID: {id(my_dict)}") # 外部my_dict已改变

这里，函数内部的 list_param 和 dict_param 的 id 在原地修改后并没有变，而且外部的 my_list 和 my_dict 也确实被修改了。这是因为函数内部和外部的变量都指向同一个对象，对这个对象的任何原地修改，都会被所有引用它的变量“看到”。

一个重要的例外：在函数内部重新赋值可变参数 如果我们在函数内部，对传入的可变参数进行重新赋值操作（例如 list_param = [5, 6]），那么这个行为又会和不可变对象类似。函数内部的 list_param 会被重新绑定到一个新的列表对象，而外部的 my_list 仍然指向原来的列表，不会受到影响。

def reassign_mutable(list_param):
    print(f"函数内部 - 原始列表ID: {id(list_param)}")
    list_param = [5, 6] # 重新赋值，list_param现在指向一个新对象
    print(f"函数内部 - 重新赋值后列表ID: {id(list_param)}")
    print(f"函数内部 - 重新赋值后列表: {list_param}")

my_list_reassign = [1, 2, 3]
print(f"函数外部 - 原始列表ID: {id(my_list_reassign)}")
reassign_mutable(my_list_reassign)
print(f"函数外部 - 调用后列表: {my_list_reassign}, ID: {id(my_list_reassign)}") # 外部my_list_reassign不变

这块儿确实容易踩坑，因为它模糊了“原地修改”和“重新赋值”的区别。我个人觉得，理解这个点对于编写健壮的Python代码非常关键，尤其是在设计函数接口时，要清楚函数是否会修改传入的可变参数，避免产生意料之外的副作用。如果不想函数修改原始的可变对象，可以考虑在传入前先创建一份副本（例如 my_list[:] 或 list(my_list)）。

为什么只有不可变对象才能作为字典的键或集合的元素？

这是一个非常好的问题，它触及到了Python中字典（dict）和集合（set）底层实现的关键机制：哈希表（hash table）。简而言之，只有不可变对象才能作为字典的键或集合的元素，是因为它们需要一个在对象的生命周期内保持不变的哈希值（hash value）。

哈希值与哈希表 字典和集合为了实现高效的查找、插入和删除操作，都依赖于哈希表这种数据结构。当我们把一个对象作为字典的键或集合的元素时，Python会计算这个对象的哈希值。这个哈希值可以看作是对象在内存中存储位置的一个“指纹”或“索引”。

• 字典： 当你尝试查找一个键对应的值时，Python会再次计算这个键的哈希值，然后根据这个哈希值快速定位到可能的存储位置，再通过 __eq__ 方法比较键是否完全匹配。
• 集合： 集合的工作原理类似，它使用哈希值来判断元素是否存在，并确保元素的唯一性。

哈希值的稳定性要求 想象一下，如果一个可变对象（比如一个列表 [1, 2]）可以作为字典的键。当你把它放进字典后，它的哈希值是根据 [1, 2] 计算出来的。但如果之后你修改了这个列表，比如 my_list.append(3)，那么这个列表就变成了 [1, 2, 3]。此时，如果Python允许它作为键，那么它的哈希值也应该随之改变。

问题就在这里：

1. 查找失败： 如果列表内容改变，其哈希值也随之改变，那么当你尝试用 [1, 2, 3] 去查找字典中原本用 [1, 2] 存储的值时，计算出的哈希值已经不同了，字典将无法找到这个键，即使逻辑上它还是“同一个”对象。
2. 数据完整性被破坏： 这种不稳定性会彻底破坏哈希表的查找机制，导致字典或集合无法正常工作，甚至可能出现内部数据结构混乱。

为了避免这种灾难性的后果，Python明确规定，只有哈希值在对象生命周期内保持不变的对象，才能作为字典的键或集合的元素。而只有不可变对象才能保证这一点，因为它们的内部状态一旦创建就不能改变，所以它们的哈希值也是固定的。

Python的强制执行 如果你尝试将一个可变对象（如列表或字典）作为字典的键或集合的元素，Python会直接抛出一个 TypeError：unhashable type: 'list' 或 unhashable type: 'dict'。

# 错误示例
my_list_key = [1, 2]
# my_dict = {my_list_key: "value"} # 这会引发 TypeError

# 错误示例
my_set = set()
# my_set.add([1, 2]) # 这也会引发 TypeError

__hash__ 和 __eq__ 方法 在Python中，一个对象是否可哈希（hashable），取决于它是否实现了 __hash__ 方法，并且满足以下条件：

• 如果两个对象相等（即 obj1 == obj2 为 True），那么它们的哈希值必须相等（即 hash(obj1) == hash(obj2)）。
• 哈希值在对象的生命周期内必须保持不变。

不可变对象天生满足这些条件，因为它们的值不会变。而可变对象，由于其值可能变化，因此通常不实现 __hash__ 方法，或者其 __hash__ 方法会返回一个 TypeError。

frozenset 的特殊性 值得一提的是 frozenset。它是 set 的不可变版本。由于它是不可变的，所以它可以被哈希，因此可以作为字典的键或集合的元素。这在某些需要以集合作为键的场景中非常有用。

在我看来，这个设计体现了Python在实用性和数据完整性之间的权衡。虽然限制了可变对象的使用场景，但它确保了字典和集合这些核心数据结构的高效性和可靠性，避免了潜在的复杂问题。理解这一点，能帮助我们更好地选择合适的数据结构来解决问题。

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