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Python 数据对象不可变性的实现方式

舞夢輝影

舞夢輝影

发布时间:2026-02-13 23:01:29

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来源于php中文网

原创

tuple和str不可变是因底层数据结构固定,修改操作会抛typeerror;其不可变性保证哈希安全与线程安全,但嵌套可变对象仍可变。

python 数据对象不可变性的实现方式

为什么 tuplestr 修改会报 TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

Python 的不可变性不是靠“禁止赋值”这种表面限制实现的,而是对象在创建后,其底层数据结构不允许被原地修改。比如 tuple 在 CPython 中用固定大小的指针数组存储元素,初始化后数组地址和长度都锁死;str 同样使用只读内存块,所有“修改”操作(如 replace()upper())都返回新对象。

常见错误现象:以为 a[0] = 1tuplestr 是语法问题,其实它是运行时检测到类型不支持就地写入而抛出的异常。

  • 不可变对象的 id() 在任何“看似修改”后都不会变——因为根本没改,只是你没接住返回的新对象
  • 函数参数传入 tuplefrozenset,不用担心被回调函数意外篡改,这是它能当字典键或集合元素的前提
  • 注意 tuple 里嵌套可变对象(如 ([],))仍是不可变的——外层 tuple 不能增删改,但里面 list 本身仍可 .append()

__hash__ 方法怎么决定一个对象能不能进 set 或当 dict

不可变性本身不自动带来哈希能力,真正起作用的是对象是否实现了 __hash__ 且不为 None。CPython 默认给 tuplestrint 等内置不可变类型实现了稳定哈希;但如果你自定义类,即使所有属性都不改,不显式定义 __hash__,它默认继承自 object,返回的是基于 id() 的值,不能用于哈希容器。

使用场景:想让自定义类实例可放入 set,必须同时满足两个条件:实例状态创建后不再变化 + 显式实现 __hash__ 并确保与 __eq__ 逻辑一致。

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  • 一旦定义了 __setattr__ 或允许修改属性,通常要设 __hash__ = None,否则可能引发哈希不一致(比如 key 被修改后找不到)
  • dataclass(frozen=True) 会自动禁用赋值并生成 __hash__,但要注意字段值本身也得是可哈希的
  • 不要在 __hash__ 里引用可变对象或调用可能改变状态的方法,哈希值必须稳定

为什么 bytes 不可变,但 bytearray 可以?它们底层内存布局差在哪

bytes 在 CPython 中指向一块只读内存区域,所有写操作(包括切片赋值、+=)都会触发复制并新建对象;bytearray 则使用可读写缓冲区,支持原地修改,比如 b[0] = 255 直接改内存,不产生新对象。

性能影响明显:频繁修改二进制数据时用 bytearray 能避免大量临时对象和内存拷贝;但若只是解析或传输,用 bytes 更安全,也更符合函数式习惯。

  • bytes + bytes 是 O(n+m) 时间,每次都要分配新内存;bytearray.extend() 是均摊 O(1)
  • bytes 支持内存视图(memoryview(b)),但只读;bytearraymemoryview 是可写的
  • 网络库(如 socket.send())接受 bytes,但接收缓冲区常用 bytearray 预分配空间再填数据

id()is 判断不可变对象相等,为什么有时靠谱、有时翻车

小整数(-5 到 256)和短字符串在 CPython 中会被缓存复用,所以 a = 100; b = 100; a is b 返回 True;但这只是实现细节,不是语言规范。一旦超出范围(如 1000),或字符串含空格、特殊字符、动态拼接,缓存行为就不可靠。

容易踩的坑:拿 is 替代 == 比较不可变对象,尤其在测试或配置判断中,看似省事,实则把代码绑死在特定解释器行为上。

  • is 比较的是对象身份(内存地址),== 才是值比较——后者才反映不可变对象的语义意图
  • 哪怕两个 tuple 内容完全一样,只要不是同一个对象,is 就是 False;而 == 只要递归比对每个元素就足够
  • 函数返回常量元组(如 return (1, 2)),不同调用可能得到不同对象,别假设它们 is 相等
不可变性的核心不在“不让改”,而在“改不了还保证行为可预测”——这要求你时刻分清对象身份和对象值,也意味着任何依赖“原地修改”的惯性思维,在 Python 里都得重新校准。

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