通过 Cython 带你认清 Python 变量的本质

Python 和其它静态语言之间有一个显著的不同，就是 Python 的变量其实只是一个名字。站在 C 语言的角度来看，Python 变量本质上就是一个指针（准确的说是引用），存储的是对象的内存地址，指针指向的内存才是对象。

所以在 Python 中，我们都说变量指向了某个对象。而在其它静态语言中，变量相当于是为某个对象起的别名，获取变量就等于获取这块内存所存储的值。但 Python 变量代表的内存所存储的不是对象，而是对象的地址。

我们用两段代码，一段 C 语言的代码，一段 Python 的代码，来看一下差别。

#include <stdio.h>
void main()
{
    int a = 123;
    printf("address of a = %p\n", &a);
    a = 456
    printf("address of a = %p\n", &a);
}
//输出结果
/*
address of a = 0x7fffa94de03c
address of a = 0x7fffa94de03c
*/

可以看到前后输出的地址是一样的，再来看看 Python 的。

a = 666
print(hex(id(a)))  # 0x1b1333394f0
a = 667
print(hex(id(a)))  # 0x1b133339510

然而我们看到地址前后发生了变化，我们分析一下原因。

首先在 C 中，创建一个变量的时候必须规定好类型，比如 int a = 666，那么变量 a 就是 int 类型，以后在所处的作用域中就不可以变了。如果这时候，再设置 a = 777，那么等于是把内存中存储的 666 换成 777，但 a 的地址和类型是不会变化的。

而在 Python 中，a = 666 等于是先开辟一块内存，存储的值为 666，然后让变量 a 指向这片内存，或者说让变量 a 存储这块内存的地址。然后 a = 777 的时候，再开辟一块内存，然后让 a 指向存储 777 的内存，由于是两块不同的内存，所以它们的地址是不一样的。

所以 Python 的变量只是一个和对象关联的名字罢了，它是一个指针，代表的是对象的地址。换句话说 Python 变量就是个便利贴，可以贴在任何对象上，一旦贴上去了，就代表这个对象被引用了。

再来看看变量之间的传递，在 Python 中是如何体现的。

a = 666
print(hex(id(a)))  # 0x1e6c51e3cf0
b = a
print(hex(id(b)))  # 0x1e6c51e3cf0

我们看到打印的地址是一样的，用一张图解释一下。

我们说 a = 666 的时候，先开辟一份内存，再让 a 存储对应内存的地址；然后 b = a 的时候，会把 a 拷贝一份给 b，所以 b 存储了和 a 相同的地址，它们都指向了同一个对象。

因此说 Python 是值传递、或者引用传递都是不准确的，准确的说 Python 是变量的赋值传递，对象的引用传递。因为 Python 变量本质上就是一个指针，所以在 b = a 的时候，等于把 a 指向的对象的地址（a 本身）拷贝一份给 b，所以对于变量来说是赋值传递；然后 a 和 b 又都是指向对象的指针，因此对于对象来说是引用传递。

另外还有最关键的一点，我们说 Python 的变量是一个指针，当传递一个变量的时候，传递的是指针；但是在操作一个变量的时候，会操作变量指向的内存。

所以 id(a) 获取的不是 a 的地址，而是 a 指向的内存的地址（在底层其实就是 a 本身）；同理 b = a 也是将 a 本身，或者说将 a 存储的、指向某个具体对象的地址传递给了 b。

在 C 的层面上，显然 a 和 b 属于指针变量，那么 a 和 b 有没有地址呢？显然是有的，也就是二级指针。只不过在 Python 中你是看不到的，Python 解释器只允许你看到对象的地址。

为了更好地理解上述内容，我们看一段 Cython 代码：

# name 是一个变量，它是一个指针
name = "古明地觉"
# 而在 C 中，指针是可以相互转化的
# 因此这里我们转成 void * 类型
# 而 void * 可以转成整型
print(<Py_ssize_t><void *> name)
"""
2198935240400
"""
# 我们得到了一串数字，因为地址本身就是一串数字
# 所以它和我们调用 id 函数的结果是一样的
print(id(name))
"""
2198935240400
"""

如果你对解释器有一定了解的话，那么你应该知道变量是一个泛型指针 PyObject *，而指针存储的地址其实就是一串数字。我们将变量转成 void * 之后再转成整型，那么就能拿到它存储的数字，而这显然也是内置函数 id 所做的事情。

那么问题来了，如果我知道对象的地址，那么能不能反推出对象是什么呢？答案是可以的，只需要将上述过程逆转过来就可以了。

解释一下，首先这串数字虽然表示对象的地址，但它不具备指针的含义，很明显它就是一个普通的 Python 整数而已。如果想让它变成指针，那么需要先转成 void *，因为 void * 和整数是可以相互转化的。只不过这个整数是 C 的整数，因此要先转成 Py_ssize_t，再转成 void *。

具备指针的含义之后，再转成 object 即可拿到对象本身，是不是很神奇呢？如果不借助 Cython，那么你能不能基于对象的地址反推出对象是什么呢？