[Python] 類型與對象

1. 術語

程序中所存儲的所有數據都是對象。每個對象都有一個身份、一個類型和一個值。對象的身份可以看作是指向它在內存中所處位置的指針，變量名就是引用這個具體位置的名稱。
對象的類型也稱作類別，用于描述對象的內部表示及它支持的方法與操作。創建特定類型的對象時，有時也將該對象稱為該類型的實例。實例被創建之后，它的身份和類型就不可改變。如果對象的值是可以修改的，稱為可變對象，反之稱為不變對象。如果某個對象包含對其他對象的引用，則將其稱為容器或集合。
大多數對象擁有大量特有的數據屬性和方法。屬性就是與對象相關的值。方法就是被調用時將在對象上執行某些操作的函數。使用點"."運算符可以訪問屬性和方法。
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2. 對象的身份與類型

內置函數id()可返回一個對象的身份，返回值為整數。is運算符用于比較兩個對象的身份。內置函數type()則返回一個對象的類型。例如：

def compare(a, b):
    if a is b:
        # 同一個對象
    if a == b:
        # 具有相同的值
    if type(a) is type(b):
        # 具有相同類型

對象的類型本身也是一個對象，稱為對象的類。所有類型對象都有一個指定的名稱，可用于執行類型檢查，例如：

if type(s) is list:
    s.append(item)
if type(d) is dict:
    d.update(t)

檢查類型的更佳方式是用內置函數isinstance(object, type)，例如：

if isinstance(s, list):
    s.append(item)
if isinstance(d, dict):
    d.update(t)

因為isinstance()函數能夠實現繼承，因此是檢查所有Python對象類型的首選方式。
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3. 引用計數與垃圾收集

所有對象都有引用計數。無論是給對象分配一個新名稱，還是將其放入一個容器，該對象的引用計數就會增加，例如：

a = 37 # 創建值為37的對象
b = a # 增加37的引用計數
c = []
c.append(b) #增加37的引用計數

這個例子創建了一個包含值37的對象，a只是引用這個新創建對象的一個名稱，將a賦值給b時，b就成了同一對象的新名稱，而且該對象的引用計數會增加。類似地，將b放到一個列表中時，該對象的引用計數將再次增加。
使用del語句或者引用超出作用域時（或者被重新賦值），對象的引用計數就會減少，例如：

del a # 減少37的引用計數
b = 42 #減少37的引用計數
c[0] = 2.0 #減少37的引用計數

使用sys.getrefcount()函數可以獲得對象的當前引用計數，例如：

a = 37
import sys
print(sys.getrefcount(a))

多數情況下，引用計數比猜測的要大得多，對于不可變數據（如數字和字符串），解釋器會主動在程序的不同部分共享對象，以便節約內存。
當一個對象的引用計數歸零時，它將被垃圾收集機制處理掉。在某些情況下，很多已不再使用的對象間可能存在循環依賴關系，例如：

a = {}
b = {}
a['b'] = b
b['a'] = a
del a
del b

在以上例子中，del語句將會減少a和b的引用計數，并銷毀用于引用底層對象的名稱。然而因為每個對象都包含一個對其他對象的引用，所以引用計數不會歸零，對象也不會被銷毀，從而導致內存泄露。為了解決這個問題，解釋器會定期執行一個循環檢測器，搜索不可訪問對象的循環并刪除它們。
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4. 引用與復制

在程序進行像a = b這樣的賦值時，就會創建一個對b的引用。對于像數字和字符串這樣的不可變對象，這種賦值實際上創建了b的一個副本。然而，對于可變對象（如列表和字典）引用行為會完全不同，例如：

a = [1, 2, 3, 4]
b = a
print(b is a) # True
b[2] = -100
print(a[2]) #-100

因為a和b引用的同一個對象，修改其中任意一個變量都會影響到另一個。所以必須創建對象的副本而不是新的引用。對于像列表和字典這樣的容器對象，可以使用兩種復制操作： 淺復制和深復制。淺復制將創建一個新對象，但它包含的是對原始對象中包含的項的引用，例如：

a = [1, 2, [3, 4]]
b = list(a)
print(b is a) #False
b.append(100)
print(b) # [1, 2, [3, 4], 100]
print(a) # [1, 2, [3, 4]]
b[2][0] = -100
print(b) # [1, 2, [-100, 4], 100]
print(a) # [1, 2, [-100, 4]]

深復制將創建一個新對象，并且遞歸地復制它包含的所有對象。可以使用標準庫中的copy.deepcopy()函數完成該工作，例如：

import copy
a = [1, 2, [3, 4]]
b = copy.deepcopy(a)
b[2][0] = -100
print(b) # [1, 2, [-100, 4]]
print(a) # [1, 2, [3, 4]]

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5. 表示數據的內置類型

大約有12種數據類型可用于表示程序中用到的大多數數據。如下表所示：

None類型表示一個沒有值的對象，在程序中表示為None。如果一個函數沒顯示返回值，則返回該對象。None常用于可選參數的默認值，以便讓函數檢測調用者是否為該參數實際傳遞了值。
Python使用4種數字類型：布爾型、整數、浮點數以及復數。除了布爾值，所有數字對象都是有符號的。所有數字類型都不可變。數字類型擁有大量的屬性和方法，可以簡化涉及混合算術的運算。為了與有理數兼容，整數使用了屬性x.numerator和x.denominator。為了兼容復數，整數或浮點數y擁有屬性y.real和y.imag，以及方法y.conjugate()。使用y.as_interger_ratio()可將浮點數y轉換為分數形式的一對整數。方法y.is_interger()用于測試浮點數y是否表示整數值。通過方法y.hex()和y.fromhex()可用低級二進制形式使用浮點數。
序列表示索引為非負整數的有序對象集合，包括字符串、列表和元組。所有序列支持的方法如下表：

適用于可變序列的方法如下表：

列表支持的方法如下表：

list(s)可將任意可迭代類型轉換為列表。如果s已經是列表，則該函數構造的新列表是s的一個淺復制。
字符串支持的方法如下表：

很多字符串方法都接受可選的start和end參數，其值為整數，用于指定s中起始和結束位置的索引。大多數情況下，這些值可以為負值，表示索引是從字符串結尾處開始計算的。
映射類型表示一個任意對象的集合，而且可以通過另一個幾乎是任意鍵值的集合進行索引。和序列不同，映射對象是無序的，可以通過數字、字符串和其他對象進行索引。映射是可變的。
字典是唯一內置的映射類型，任何不可變對象都可以用作字典鍵值，如字符串、數字、元組等。字典的方法如下表：

集合是唯一的無序集。與序列不同，集合不提供索引或切片操作。它們和字典也有所區別，即對象不存在相關的鍵值。放入集合的項目必須是不可變的。集合分為兩種類型，set是可變的集合，而frozenset是不可變的集合，這兩類集合都是用一對內置函數創建的，例如：

s = set([1, 5, 10, 15])
f = frozenset(['a', 37, 'hello'])

所有集合支持的方法如下表：

可變集合還另外提供了一些方法，如下表：

所有的這些操作都可以直接修改集合s。
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6. 表示程序結構的內置類型

在Python中，函數、類和模塊都可以當做數據操作的對象，如下表：

可調用類型表示支持函數調用操作的對象。具有這種屬性的對象有：用戶定義的函數，方法、內置函數與方法，可調用的類與實例。
用戶定義的函數是指用def語句或lambda運算符在模塊級別上創建的可調用對象，它具有以下屬性：

方法是在類定義中定義的函數。有3種常見的方法：實例方法、類方法和靜態方法。實例方法是操作指定類的實例的方法，實例作為第一個參數傳遞給方法，根據約定該參數一般稱為self。類方法把類本身當作一個對象進行操作，在第一個參數中將類對象傳遞給類。靜態方法就是打包在類中的函數，它不能使用一個實例或類對象作為第一個參數。例如：

f = Foo()
meth = f.instance_method
meth(30)

在以上例子中，meth稱為綁定方法。綁定方法是可調用對象，它封裝了函數和一個相關實例。調用綁定方法時，實例就會作為第一個參數（self）傳遞給方法。方法查找也可以出現類本身上，例如：

umeth = Foo.instance_method
umeth(f, 30)

在以下例子中，umeth稱為非綁定方法。非綁定方法是封裝了方法函數的可調用對象，但需要傳遞一個正確類型的實例作為第一個參數。如果傳遞的對象類型錯誤，就會引發TypeError異常。
為方法對象定義的屬性如下表：

類對象和實例也可以當作可調用對象進行操作。類對象使用class語句創建，并作為函數調用，以創建新實例。在這種情況下，將函數的參數傳遞給類的__init__()方法，以便初始化新創建的實例。如果實例定義了一個特殊方法__call__()，它就能夠模擬函數的行為。如果該方法是為某個實例x而定義，使用x(args)語句等同于調用方法x.__call__(args)。
定義類時，類定義通常會生成一個type類型的對象，一個類型對象t的常用屬性如下表：

創建一個對象實例時，實例的類型就是定義它的類，例如：

f = Foo()
print(type(f)) # <class '__main__.Foo'>

下表顯示實例擁有的特殊屬性：

模塊類型是一個容器，可保存使用import語句加載的對象。模塊定義了一個使用字典實現的命名空間，比如，m.x=y等價于m.__dic__["x"]=y。模塊的可用屬性如下：