Python的對象與型式

喬林

摘 要：作為動(dòng)態(tài)語言，Python與其他靜態(tài)編譯語言有很大差別，其對象與型式的概念及關(guān)系非常讓人迷惑。文章討論P(yáng)ython程序設(shè)計(jì)語言中對象、型式與量的基本概念和關(guān)系，闡釋這些概念的內(nèi)涵與外延，指出初學(xué)者容易混淆之處，并給出教學(xué)過程中的一點(diǎn)心得體會(huì)。

關(guān)鍵詞：Python；對象；型式；量

0 引 言

對于Python程序設(shè)計(jì)語言對象與型式的概念、關(guān)系等基本概念，如果沒有清晰的認(rèn)知，那么所編寫的Python程序（腳本）重者無法運(yùn)行或者得到錯(cuò)誤的結(jié)果，輕者可能隱含難以察覺和調(diào)試的邏輯錯(cuò)誤。因此，了解Python程序設(shè)計(jì)語言中對象、型式與量的基本概念和關(guān)系，掌握文字與量、名空間與作用域、全局量與局部量的概念以及這些基礎(chǔ)概念對量（對象）可能造成的影響至關(guān)重要。

1 對象與型式

1.1 對 象

對象（object）是一種數(shù)據(jù)抽象或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象，用來表示程序中需要處理或已處理的信息。在Python程序設(shè)計(jì)語言中，對象具有3個(gè)基本特征：本征值（identity）、型式（type）和值（value）。

本征值是用于區(qū)分不同對象的信息，因而特征之一是應(yīng)具有唯一性。在Python程序設(shè)計(jì)語言中，本征值的表示方式與Python程序設(shè)計(jì)語言的具體實(shí)現(xiàn)有關(guān)，一種典型的實(shí)現(xiàn)策略是使用對象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)地址，如CPython的實(shí)現(xiàn)。本征值的另外一個(gè)特征是有常性（immutability），即一經(jīng)創(chuàng)設(shè)就不可改變。

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，可以使用本征值函數(shù)id（）返回某個(gè)特定對象的本征值，如在Cpython實(shí)現(xiàn)中，id（1）與id（obj）分別返回對象1與對象obj的本征值。相應(yīng)地，也可以使用型式函數(shù)type（）獲取某個(gè)對象的型式。

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，依據(jù)該對象是否可被改變，而分為有常對象（immutable）和無常對象（mutable）。

一般而言，Python程序設(shè)計(jì)語言中的對象無常性由其型式確定。典型的示例，如數(shù)值（numeric）、字符串（string）和元組（tuple）為有常對象，詞典（dictionary）和列表（list）為無常對象；此外，有常容器（container）對象可能包含無常元素對象，前者值不可變，后者則不然。對于這兩點(diǎn)，初學(xué)者必須時(shí)刻保持警覺，教師在教學(xué)過程中也必須闡釋清楚。

1.2 型 式

型式（type），簡稱型，也稱類型。在純面向?qū)ο笳Z言出現(xiàn)之前，type用來表示相同性質(zhì)的數(shù)據(jù)集合。該集合雖然具有明確的操作集，厘定了可在該集合上實(shí)施的操作，但是并未在語言層面上對其進(jìn)行明晰的操作集定義，即數(shù)據(jù)及其操作是分離的。

型，其最主要的目的是構(gòu)造該型式的對象。這意味著任何對象都必須有確切的型式，且一般不可改變。

在面向?qū)ο蠹夹g(shù)出現(xiàn)之后，程序設(shè)計(jì)語言一般使用專用關(guān)鍵字來表示特定的將數(shù)據(jù)與操作辯證統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——類，如C++程序設(shè)計(jì)語言中的關(guān)鍵字class（含擴(kuò)充定義的struct）。在類中，對象屬性（attribute）和行為（behavior）被統(tǒng)一描述和管理：對象屬性是類的數(shù)據(jù)成員；對象行為是該類或該類的某個(gè)對象上可執(zhí)行的操作成員，也稱為方法（method）。

語言學(xué)上，class的翻譯為“類”，作為型（type）的一種，也可以稱為“類型”。這使得其與早期術(shù)語type之間，容易出現(xiàn)一定混淆——早期非class類型的type也被翻譯成“類型”。為避免引起誤解，將type更正為“型式”更佳，有助于區(qū)分class與type ——兩者在程序設(shè)計(jì)語言層面上并非同一概念。

Python程序設(shè)計(jì)語言作為一種純粹的面向?qū)ο笳Z言，凡物皆為對象，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)面臨以下兩方面的困難。

（1）class與type的本質(zhì)完全相同，類即為型，而型亦為類。此時(shí)，討論其他編程語言中這兩者的差異，就沒有任何意義。因此，很多學(xué)習(xí)過其他面向?qū)ο笳Z言的學(xué)生在學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)語言時(shí)，反而會(huì)面臨概念理解上的困難。這一點(diǎn)，授課教師必須在教學(xué)過程中表述清楚，以減少學(xué)生的困惑。

（2）型也是可以在程序中操作的對象?？梢哉J(rèn)為，型就是構(gòu)造對象的模板，然而在實(shí)際語言實(shí)現(xiàn)中，存在這樣一種情況，即一個(gè)對象本身實(shí)際上可以作為該型另外一個(gè)對象的模板。這意味著，型本身也可以作為對象來存儲(chǔ)和管理，并在程序運(yùn)行過程中作為模板，用于構(gòu)造該型的對象。因此，我們可以將程序編譯從靜態(tài)引向動(dòng)態(tài)。

示例代碼一：

>>> id（int）

1707211232

>>> type（int）

>>> id（float）

1707205632

>>> type（float）

>>> int is float

False

# 試試將一個(gè)浮點(diǎn)型賦值給一個(gè)整型

>>> int = float

>>> id（int）

1707205632

>>> type（int）

>>> id（float）

1707205632

>>> type（float）

>>> int is float

True

>>>

1.3 型之相

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，類具有明確的型。類的定義語句負(fù)責(zé)創(chuàng)建（構(gòu)造）一個(gè)類型，而類型用于創(chuàng)建（構(gòu)造）該類型的對象（object）。

構(gòu)造類的一個(gè)實(shí)際對象的過程稱為具象化（instantiation），也稱為實(shí)例化。實(shí)例化的結(jié)果為具象（instance object），也稱實(shí)例對象。

實(shí)際上，在Python程序設(shè)計(jì)語言中，類定義結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將構(gòu)造（創(chuàng)建）出該類的一個(gè)型象。如前所述，型亦為對象，因此，按照此型定義出的對象稱為對象（class object），也稱類象或類對象。

對于初學(xué)者而言，這種概念上的差別非常容易讓人迷惑。類（型）本身就是構(gòu)造對象的模板，那么類對象或型對象是什么？在教學(xué)過程中，教師必須特別強(qiáng)調(diào)Python程序設(shè)計(jì)語言的類（型）動(dòng)態(tài)性，這一點(diǎn)與C語言和C++語言有很大的區(qū)別。因而，我們更傾向于將由類定義而創(chuàng)建（構(gòu)造）出來的類對象稱為型相，即使用“相”字區(qū)分實(shí)際對象的“象”字。

也就是說，對于任意一個(gè)類，其類定義創(chuàng)建（構(gòu)造）了該類的一個(gè)型相；而通過該型相，程序員可以創(chuàng)建（構(gòu)造）該類的具象——具體的象。對于前者，構(gòu)造型相的過程，我們稱為體化（型體化）；對于后者，構(gòu)造具象的過程被稱為具象化（象化）。體化的書面意義是指“以自己的行動(dòng)感化別人”，而“體”本身指“事物的本身或全部”“物質(zhì)存在的狀態(tài)或形狀”或“事物的格局、規(guī)矩”，因此用“體化”描述這個(gè)過程似乎更恰當(dāng)。

2 量與對象

2.1 文字與量

文字（literal）是內(nèi)置類型的有常值，類似于數(shù)學(xué)或物理中的常數(shù)，如0、3.1 416、2.718 28j、“Python”等。一方面，在Python程序設(shè)計(jì)語言中，文字亦對象；另一方面，量（variable）是引用特定對象的標(biāo)識符，類似數(shù)學(xué)中的代數(shù)。

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，量的處理相當(dāng)特殊。事實(shí)上，它已經(jīng)與C語言、C++語言等早期語言中的概念有了明顯差別。

首先，量可以隨意引用數(shù)值、字符串或其他類型的對象；其次，量是標(biāo)識符（identifier），是名稱（name），但并不是該對象本身，僅僅是對“象”的引用（reference），即對該“對象”的“象”的引用；最后，對于Python程序設(shè)計(jì)語言中的量而言，賦值（assignment）即定義（definition），因而并不需要在使用量前作預(yù)先定義。這意味著賦值的目的并不是將賦值操作符右邊表達(dá)式的結(jié)果，存入該量所對應(yīng)的存儲(chǔ)空間，而是將代表該量的名稱（name）與賦值操作符右邊表達(dá)式的結(jié)果所對應(yīng)的值，束定（bind）或重新束定（rebind）在一起，以修改無常對象的屬性或值。

這樣就引申出一個(gè)問題，即量的同一性（identity）問題——我們?nèi)绾闻袛鄡蓚€(gè)量是否引用了同一個(gè)對象。雖然Python程序設(shè)計(jì)語言提供兩個(gè)關(guān)鍵字（操作符）is和is not，用于測試量的同一性，但是實(shí)際問題是量的同一性依賴于Python程序設(shè)計(jì)語言的具體實(shí)現(xiàn)，如我們可以認(rèn)定a = [] 與b = [] 總是引用不同的有常對象（空列表），a = b = [] 總是引用同一有常對象，卻并不能保證a = 1與b = 1是否引用了值為1的同一有常對象。

2.2 名空間與作用域

在概念上，名空間（namespace）是從名稱到對象的映射。在實(shí)現(xiàn)上，大多數(shù)名空間表現(xiàn)為符號表，以字典的形式來組織，而變量存儲(chǔ)其中。在Python腳本中存在多個(gè)相互獨(dú)立的名空間。

一般而言，名空間具有如下特性：

（1）標(biāo)識符獨(dú)立性：不同名空間的同名標(biāo)識符沒有任何關(guān)聯(lián)；

（2）標(biāo)識符唯一性：同一名空間中的標(biāo)識符不得重名；

（3）名空間嵌套：一個(gè)名空間可以包含另外一個(gè)名空間。

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，名空間分為內(nèi)置名空間（built-in namespace）、全局名空間和局部名空間這3類。其中，內(nèi)置名空間為內(nèi)置名稱集合，如內(nèi)置函數(shù)名、內(nèi)置異常名等；全局名空間為模塊內(nèi)部的全局名稱集合；而局部名空間為函數(shù)調(diào)用時(shí)的本地名稱集合、對象的屬性集合、嵌套函數(shù)的本地名稱集合或類成員函數(shù)的本地名稱集合等。

需要說明的是，全局名空間也稱模塊全局名空間，在讀入模塊定義時(shí)創(chuàng)建，且正常情況下在Python解釋器退出時(shí)刪除。此處所說的“全局”僅指在該模塊內(nèi)部為全局的。每個(gè)模塊都有獨(dú)立的全局名空間，導(dǎo)入模塊后方可訪問其中的全局標(biāo)識符；同時(shí)，模塊中可能存在非全局標(biāo)識符，即使導(dǎo)入模塊也不可訪問，這一點(diǎn)是初學(xué)者很容易犯糊涂的地方，教師在教學(xué)時(shí)須予以重視。

另一個(gè)相關(guān)的概念是作用域（scope）。定義上，作用域是指可訪問名空間中標(biāo)識符的文法區(qū)域，即在Python程序文本的某處，是否可以使用該名空間中的標(biāo)識符。

雖然作用域與名空間在概念上有強(qiáng)關(guān)聯(lián)，但是二者并不相同。一般認(rèn)為，不在某名空間中，就不能訪問該名空間中的標(biāo)識符；同時(shí)，在某名空間中，也不一定能訪問該名空間中的標(biāo)識符。

在Python程序設(shè)計(jì)語言中，作用域分為局部作用域、外層函數(shù)閉包作用域、全局作用域和內(nèi)置作用域這4類。其中，局部作用域位于最內(nèi)層，為函數(shù)（類成員函數(shù)）、類或Lambda表達(dá)式形成的文法區(qū)域；外層函數(shù)閉包作用域?yàn)榍短缀瘮?shù)的外層函數(shù)形成的文法區(qū)域；全局作用域?yàn)槟K形成的文法區(qū)域；內(nèi)置作用域位于最外層，為包含內(nèi)置名稱的文法區(qū)域。

在進(jìn)行標(biāo)識符查找時(shí)，按照由內(nèi)向外的順序查找上述4種作用域。

2.3 全局量與局部量

一般將定義于類、函數(shù)、類成員函數(shù)或Lambda表達(dá)式之外場合的量稱為全局量；將定義于函數(shù)、類成員函數(shù)或Lambda表達(dá)式中的量稱為局部量。函數(shù)的形式參數(shù)與局部量類似，但是出于參數(shù)傳遞的原因，其與普通局部量有細(xì)微差異。

需要說明的是，全局量與局部量位于不同的名空間，因而可重名；同時(shí)，全局量和局部量重名時(shí)，局部量可能遮蓋全局量的作用域，使其不可見。endprint

在賦值即定義的原則下，Python程序設(shè)計(jì)語言中，全局量和局部量的差別經(jīng)常讓初學(xué)者迷惑，如以下3段代碼。

示例代碼二：

# n為全局量，位于全局名空間，其后代碼（包括函數(shù)內(nèi)部）均可訪問

n = 42

# 形式參數(shù)x也為局部量，位于局部名空間，函數(shù)內(nèi)部可訪問

def double（x）：

# 訪問全局量n

print（ "Before being doubled in double（）： n = "， n ）

# m為局部量，位于局部名空間，函數(shù)內(nèi)部可訪問

m = x * 2

print（ "After being doubled in double（）： m = "， m ）

print（ "After being doubled in double（）： n = "， n ）

return m

print（ "Before calling double（） in __main__： n = "， n ）

# m為全局量，位于全局名空間，與函數(shù)內(nèi)部m為獨(dú)立的兩個(gè)對象

m = double（n）

print（ "After calling double（） in __main__： m = "， m ）

print（ "After calling double（） in __main__： n = "， n ）

示例代碼二的輸出結(jié)果如下：

# 調(diào)用函數(shù)前，全局量n值為42

Before calling double（） in __main__： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)中，全局量n值為42（加倍前）

Before being doubled in double（）： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)中，局部量m值為84（加倍后）

After being doubled in double（）： m = 84

# 調(diào)用函數(shù)中，全局量n值為42（加倍后）

After being doubled in double（）： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)后，全局量m接受加倍值84

After calling double（） in __main__： m = 84

# 調(diào)用函數(shù)后，全局量n值維持42不變

After calling double（） in __main__： n = 42

在示例代碼二中，n為全局量；m既可能為全局量，又可能為局部量，這與其所在的文法區(qū)域有關(guān)，如函數(shù)內(nèi)部的m為局部量，函數(shù)定義之后使用的m為全局量。

示例代碼三如下：

# n為全局量，位于全局名空間，其后代碼（包括函數(shù)內(nèi)部）均可訪問

n = 42

def double（x）：

# 注釋下一條語句，否則無法束定局部量n，引發(fā)UnboundLocalError異常

# print（ "Before being doubled in double（）： n = "， n ）

# 定義同名局部量n（賦值即定義），新對象具有局部作用域，整個(gè)函數(shù)內(nèi)部均有效

# 局部量n遮蓋同名全局量n的部分作用域，使其不可見

# 局部量n定義前雖不能訪問，但仍不允許上條注釋語句訪問全局量n

# 換言之，即使前述被注釋的那條語句出現(xiàn)在局部量n定義之前，n也被解釋為局部量

n = x * 2

print（ "After being doubled in double（）： n = "， n ）

return n

print（ "Before calling double（） in __main__： n = "， n ）

m = double（n）

print（ "After calling double（） in __main__： m = "， m ）

print（ "After calling double（） in __main__： n = "， n ）

示例代碼三的輸出結(jié)果如下：

# 調(diào)用函數(shù)前，全局量n值為42

Before calling double（） in __main__： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)中，局部量n值為 42

After being doubled in double（）： n = 84

# 調(diào)用函數(shù)中，全局量m接受加倍值84

After calling double（） in __main__： m = 84

# 調(diào)用函數(shù)后，全局量n維持原值42不變

# 即全局量n與局部量n雖同名，但不是同一對象

After calling double（） in __main__： n = 42

在示例代碼三中，視定義n時(shí)的文法區(qū)域，n可能為全局量，也可能為局部量；m則為全局量。相關(guān)代碼解釋已列入程序注釋，此處不再贅述。

再看示例代碼四：

# n為全局量，位于全局名空間，其后代碼（包括函數(shù)內(nèi)部）均可訪問

n = 42

# 直接使用全局量n，無需傳遞參數(shù)endprint

def double（）：

# 聲明全局量n，函數(shù)內(nèi)部對其賦值不會(huì)構(gòu)造新的局部對象

global n

print（ "Before being doubled in double（）： n = "， n ）

# 直接寫入全局量，而不是構(gòu)造新的局部對象

n = n * 2

print（ "After being doubled in double（）： n = "， n ）

return n

print（ "Before calling double（） in __main__： n = "， n ）

m = double（）

print（ "After calling double（） in __main__： m = "， m ）

print（ "After calling double（） in __main__： n = "， n ）

示例代碼四的輸出結(jié)果如下：

# 調(diào)用函數(shù)前，全局量n值為42

Before calling double（） in __main__： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)中，全局量n值為 42（加倍前）

Before being doubled in double（）： n = 42

# 調(diào)用函數(shù)中，全局量n值更新為84（加倍后）

After being doubled in double（）： n = 84

# 調(diào)用函數(shù)后，全局量m接受加倍值84

After calling double（） in __main__： m = 84

# 調(diào)用函數(shù)后，全局量n維持更新后的值84不變

After calling double（） in __main__： n = 84

由于賦值定義的特性，要在Python函數(shù)內(nèi)部修改全局量的值，就必須使用global將其聲明為全局量，原因是在函數(shù)內(nèi)部可以自由引用全局量，但不能對其賦值——賦值隱含著構(gòu)造新的同名局部對象。

類似的關(guān)鍵字還有nonlocal，用于將其后標(biāo)識符解釋為非局部非全局的。查找標(biāo)識符時(shí)，Python解釋器將從最內(nèi)層嵌套名空間向外查找，一直到全局名空間（不含）；若未找到該標(biāo)識符，系統(tǒng)將引發(fā)SyntaxError異常。

無論是global還是nonlocal，標(biāo)識符在其定義所在的代碼塊各處均有效，包括該聲明之前。

3 結(jié) 語

本文探討了Python程序設(shè)計(jì)語言中的對象、型式與量的基本概念和關(guān)系以及對象與型式的基本概念，指出了型相與具象的本質(zhì)及兩者之間的差異，并解釋了文字與量、名空間與作用域、全局量與局部量的概念，指出了這些基礎(chǔ)概念對量（對象）可能造成的影響。在實(shí)際編程時(shí)，對這些概念的理解偏差極大地影響程序的健壯性和正確性，因而需要在教學(xué)過程中予以詳盡的說明。endprint