论python的可变对象与不可变对象

总结：不可变对象改变值时会将新的值放在另一个内存地址中，原内存地址释放。从编程者的视角看，变量名没有发生变化，但该变量名指向的内存地址已经发生改变。对于可变对象，例如list，改变list的值，其内存起始地址不变，id(list)输出值一样。因此用list做函数参数的默认值时，再次使用该函数不会对该参数重新赋值一个默认的list，而是使用之前的list，但这个list很可能已经发生多了变化，所以会引发bug。

如非特别说明，下文均基于Python3

一、默认参数

python为了简化函数的调用，提供了默认参数机制：

    def pow(x, n = 2):
     
        r = 1
        while n > 0:
            r *= x
            n -= 1
        return r

这样在调用pow函数时，就可以省略最后一个参数不写：

print(pow(5)) # output: 25

在定义有默认参数的函数时，需要注意以下：

1. 必选参数必须在前面，默认参数在后；
2. 设置何种参数为默认参数？一般来说，将参数值变化小的设置为默认参数。

例如python内建函数：

print(*objects, sep=' ', end='\n', file=sys.stdout, flush=False)

函数签名可以看出，使用print(‘hello python’)这样的简单调用的打印语句，实际上传入了许多默认值，默认参数使得函数的调用变得非常简单。

二、List作为默认参数的一个坑？

引用一个官方的经典示例地址 ：

    def bad_append(new_item, a_list=[]):
        a_list.append(new_item)
        return a_list
     
    print(bad_append('1'))
    print(bad_append('2'))

这个示例并没有按照预期打印：

    ['1']
    ['2']

而是打印了：

    ['1']
    ['1', '2']

其实这个错误问题不在默认参数上，而是我们对于及默认参数的初始化的理解有误。

三、函数初始化

按照Python哲学：一切皆对象

函数也是一个对象，如下示例：

    import types
     
    def test():
        pass
     
    print(type(test)) # 
    print(isinstance(test, types.FunctionType)) # True

如此，函数就是类types.FunctionType或者其子类的实例对象。那么对象必然有其初始化的时候，一般来说，解释器在读到函数末尾时完成函数实例的初始化。初始化后，就有了函数名到函数对象这样一个映射关系，可以通过函数名访问到函数对象了，并且，函数的一切属性也确定下来，包括所需的参数，默认参数的值。因此每次调用函数时，默认参数值是相同的（如果有默认参数）。

我们以一个直观的例子来说明：

    import datetime as dt
    from time import sleep
     
     
    def log_time(msg, time=dt.datetime.now()):
     
        sleep(1) # 线程暂停一秒
        print("%s: %s" % (time.isoformat(), msg))
     
    log_time('msg 1')
    log_time('msg 2')
    log_time('msg 3')

运行这个程序，得到的输出是：

    2017-05-17T12:23:46.327258: msg 1
    2017-05-17T12:23:46.327258: msg 2
    2017-05-17T12:23:46.327258: msg 3

即使使用了sleep(1)让线程暂停一秒，排除了程序执行很快的因素。输出中三次调用打印出的时间还是相同的，即三次调用中默认参数time的值是相同的。

上面的示例或许还不能完全说明问题，以下通过观察默认参数的内存地址的方式来说明。

首先需要了解内建函数id(object) :

id(object)
Return the “identity” of an object. This is an integer which is guaranteed to be unique and constant for this object during its lifetime. Two objects with non-overlapping lifetimes may have the same id() value.
CPython implementation detail: This is the address of the object in memory.

即id(object)函数返回一个对象的唯一标识。这个标识是一个在对象的生命周期期间保证唯一并且不变的整数。在重叠的生命周期中，两个对象可能有相同的id值。
在CPython解释器实现中，id(object)的值为对象的内存地址。

如下示例使用id(object)函数清楚说明了问题：

    def bad_append(new_item, a_list=[]):
        
        print('address of a_list:', id(a_list))
        a_list.append(new_item)
        return a_list
     
    print(bad_append('1'))
    print(bad_append('2'))

output:

    address of a_list: 31128072
    ['1']
    address of a_list: 31128072
    ['1', '2']

两次调用bad_append，默认参数a_list的地址是相同的。
而且a_list是可变对象，使用append方法添加新元素并不会造成list对象的重新创建，地址的重新分配。这样，‘恰好’就在默认参数指向的地址处修改了对象，下一次调用再次使用这个地址时，就可以看到上一次的修改了。

那么，出现上述的输出就不奇怪了，因为它们本来就是指向同一内存地址。

四、可变与不可变

当默认参数指向可变类型对象和不可变类型对象时，会表现出不同的行为。

可变默认参数 的表现就像上诉示例一样。

不可变默认参数
首先看一个示例：

    def immutable_test(i = 1):
        print('before operation, address of i', id(i))
        i += 1
        print('after operation, address of i', id(i))
        return i
        
    print(immutable_test())
    print(immutable_test())

Output:

    before operation, address of i 1470514832
    after operation, address of i 1470514848
    2
    before operation, address of i 1470514832
    after operation, address of i 1470514848
    2

很明显，第二次调用时默认参数i的值不会受第一次调用的影响。因为i指向的是不可变对象，对i的操作会造成内存重新分配，对象重新创建，那么函数中i += 1之后名字i指向了另外的地址；根据默认参数的规则，下次调用时，i指向的地址还是函数定义时赋予的地址，这个地址的值1并没有被改变。

其实，可变默认参数和不可变默认参数放在这里讨论并没太大的价值，就像其他语言中所谓的值传递还是引用传递一样，不只会对默认参数造成影响。

五、最佳实践

不可变的默认参数的多次调用不会造成任何影响，可变默认参数的多次调用的结果不符合预期。那么在使用可变默认参数时，就不能只在函数定义时初始化一次，而应该在每次调用时初始化。

最佳实践是定义函数时指定可变默认参数的值为None，在函数体内部重新绑定默认参数的值。 以下是对上面的两个可变默认参数示例最佳实践的应用：

    def good_append(new_item, a_list = None):
     
        if a_list is None:
            a_list = []
     
        a_list.append(new_item)
        return a_list
     
    print(good_append('1'))
    print(good_append('2'))
    print(good_append('c', ['a', 'b']))

    import datetime as dt
    from time import sleep
     
    def log_time(msg, time = None):
     
        if time is None:
            time = dt.datetime.now()
     
        sleep(1)
        print("%s: %s" % (time.isoformat(), msg))
     
    log_time('msg 1')
    log_time('msg 2')
    log_time('msg 3')