Python对象的空间边界：独善其身与开放包容

今天，跟大家聊聊 Python 中跟身份密切相关的一个话题吧，那就是对象的边界问题。

1、固定边界：自由与孤独

Python 中有一些公民向来我行我素，它们特立独行，与他人之边界划定得清清楚楚。客气的人称它们是定长对象，或者叫不可变对象。

>>> t1 = ('Python', '猫')

>>> t2 = ('Python', '猫')

>>> t1 is t2 # 对象独立False

>>> t1[1] = '蛇' # 不可修改元素

TypeError Traceback (most recent call last)

TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

上表就是定长对象的一份名单。可知，它们占据了多数。

定长对象的特性让我不由地想到一种人类，它们严守自己的边界，刻板而严谨，一心只在乎份内之事，默默承担下自己的责任，追求的是内在的自由。虽然也会时常与别人打交道，但是，它们不贪图扩大自己的利益，也不妄想要侵犯别人的领土。独立的个体养成了个人的品牌，它们的不变性成就了外人能有所依赖的确定性。

>>> key1 = 'Python 猫'

>>> key2 = ['someone else']

>>> dict1 = {'Python 猫': '好人'}

>>> dict2 = TypeError Traceback (most recent call last)

TypeError: unhashable type: 'list'

Python 为了维护定长对象的独立性/确定性，在编译机制上做了不少优化，例如 Intern 机制与常量合并机制。其中的好处，我已经多次提及了。

坏处也有，那就是孤独。它们的孤独不在于没有同类，而在于不能（不容易）复制自身。以字符串对象为例，你可以尝试多种多样的手段，然而到头来，却发现唯一通用的方法竟然要先把字符串“碎尸万段”，接着重新组装才行！

在 Python 的世界里，不存在这种烦恼，因为判定两个对象是否相同的标准是确定的，也即是看它们的 id 是否相等。因此，借助 Python 来回答这道题，答案会是：如果用 join() 方法把字符串粉碎成字符再组合，新的字符串不再是原来的字符串了。

2、弹性边界：开放与节制

与定长对象不同，变长对象/可变对象信奉的是另一套哲学。

它们思想开放，采取的是兼容并包的处事观，会因地制宜式伸缩边界。 以列表对象为例，它乐意接纳所有其它的对象，肯花费精力去动态规划，也不惧于拔掉身上所有的“毛”。

>>> l = ['Python', '猫']

>>> l.append('其它猫')

# ['Python','猫','其它猫']

>>> l.pop(1) # ['Python','其它猫']

>>> l.clear() # []

这些大胆的行为，在定长对象那里，都是不可想象的。在变长对象身上，你似乎能感受到一种海纳百川的风范，相比之下，定长对象的铁公鸡形象则立马显得格局忒小了。

变长对象并非没有边界，相反，它们更在乎自身的边界，不惜花费大量的资源来维持动态的稳定。一旦边界确定下来，它们绝不会允许越界行为。跟某些编程语言动不动就数组越界不同，Python 不存在切片越界，因为切片操作始终被控制为边界范围之内，索引超出的部分会自动被舍弃。

变长对象在本质上是一种可伸缩的容器，其主要好处就是支持不断添加或者取出元素。对应到计算机硬件层面，就是不断申请或者释放内存空间。这类操作是代价昂贵的操作，为了减少开销，Python 聪明地设计了一套分配超额空间的机制。

以列表为例，在内存足够的前提下，最初创建列表时不分配超额空间，第一次 append() 扩充列表时，Python 会根据下列公式分配超额空间，即分配大于列表实际元素个数的内存空间，此后，每次扩充操作先看是否有超额空间，有则直接使用，没有则重新计算，再次分配一个超额空间。公式如下：

new_allocated = (newsize >> 3) + (newsize

其中，new_allocated 指的是超额分配的内存大小，newsize 是扩充元素后的实际长度。举例来说，一个长度为 4 的列表，append() 增加一个元素，此时实际长度为 5（即 newsize 为5），但是，Python 不会只给它分配 5 个内存空间，而是计算后给它超额分配 new_allocated == 3 个内存大小，所以最终加起来，该列表的元素实际占用的内存空间就是 8 。

如此一来，当列表再次扩充时，只要最终长度不大于 8 ，就不需要再申请新的内存空间。当扩充后长度等于 9 时，new_allocated 等于 7 ，即额外获得 7 个内存大小，以此类推。

以列表长度为横轴，以超额分配的内存大小为纵轴，我们就得到了如下美妙的图表：

超额分配的空间就是定长对象的软边界 ，这意味着它们在扩张时是有法度的，意味着它们在发展时是有大胆计划与适度节制的。如此看来，与定长对象的“固步自封”相比，变长对象就显得既开明又理智了。

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