Змінні, посилання та оперативна памʼять

У цьому розділі:

Динамічна типізація в Python
Змінні, імена, посилання, обʼєкти
Посилання — асоціація імені й обʼєкта
Операції з посиланнями
Помилка при зверненні до імені, що не існує

Динамічна типізація в Python

У багатьох мовах програмування (наприклад, у C або Java) перед тим, як використовувати змінну, програміст має оголосити її: указати компілятору, скільки оперативної памʼяті потрібно виділити, і як інтерпретувати значення, яке буде зберігатися в цій памʼяті. Такий підхід називається статичною типізацією.

У Python — навпаки: немає потреби попередньо оголошувати змінні, інтерпретатор автоматично визначає тип даних під час виконання програми. Цей підхід має назву динамічна типізація.

Що це означає на практиці?

можна створити змінну без вказання її типу;
тип змінної визначається автоматично залежно від присвоєного значення;
можна переприсвоїти цій самій змінній значення іншого типу — і це не буде помилкою.

x = 10          # x — це ціле число (int)
x = "привіт"    # тепер x — це рядок (str)
x = [1, 2, 3]   # а тепер — список (list)

Перший крок:

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    x
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    10
  }

  x -> 10
}

Другий крок:

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    x
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    v2 [label="10" color="gray" fontcolor="gray" style="dashed"]
    v3 [label="\"привіт\""]
  }

  x -> v3
}

Третій крок:

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    x
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    "[1, 2, 3]"
    v2 [label="10" color="gray" fontcolor="gray" style="dashed"]
    v3 [label="\"привіт\"" color="gray" fontcolor="gray" style="dashed"]
  }

  x -> "[1, 2, 3]"
}

Примітка: тут і надалі сіра пунктирна лінія позначає обʼєкти в памʼяті, на які немає посилань та котрі або видалені або будуть видалені згодом.

Динамічна типізація спрощує написання коду, пришвидшує розробку та зменшує кількість формальностей. Однак, вона вимагає від програміста уважності: типи змінних можуть змінюватися непомітно, що іноді призводить до помилок, які видно лише під час виконання програми.

У цьому прикладі ми спочатку присвоїли змінній x значення "5" (тип str), потім переприсвоїли значення 5 (тип int), що при виконанні операції + призводить до помилки TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'int' and 'str' — неможливо виконати операцію + для цілого та рядка:

x = "5"             # x — рядок (str)
x = 5               # x — ціле (int)
print(x + " днів")  # помилка при виконанні TypeError

Тут Python не зміг скласти число і рядок. Хоча типи визначаються автоматично, перетворення типів не виконується автоматично, якщо це небезпечно або неоднозначно. Програміст має сам подбати про це:

x = 5
print(str(x) + " днів")  # OK: перетворили число в рядок

Змінні, імена, посилання, обʼєкти

Змінна у Python — це не комірка памʼяті, як у C. Це — іменоване посилання на обʼєкт, що існує в оперативній памʼяті.

У Python важливо розуміти, що змінна не зберігає значення безпосередньо. Змінна — це імʼя, яке вказує на обʼєкт, розміщений у памʼяті.

Приклад:

x = 42

У цьому рядку:

Створюється обʼєкт ціле число 42.
У памʼяті йому виділяється місце.
Змінна x стає іменем, яке посилається на цей обʼєкт.

Ідентифікатор у Python — це ім'я, яке використовується для позначення змінних, функцій, класів, модулів тощо. Він має відповідати певним правилам:

Ідентифікатор може містити лише літери a-z, A-Z, цифри 0-9 і знак підкреслення _.
Він не може починатися з цифри.
Python розрізняє великі та малі літери (наприклад, name і Name — різні ідентифікатори).
Деякі зарезервовані слова (наприклад, def, class, if) не можуть бути ідентифікаторами.

Приклади правильних ідентифікаторів:

user_name = "Alice"
age = 30
_total = 100
def process_data():
    pass

Приклади неправильних ідентифікаторів:

2name = "Bob"  # Починається з цифри
class = "student"  # Використання зарезервованого слова class
user-name = "Charlie"  # Містить недозволений символ "-"

У Python усе — це обʼєкт: число, рядок, список, функція, клас, модуль, навіть сам тип int.

Обʼєкти бувають:

простими (скалярними): числа (int, float), логічні значення (bool), рядки (str);
структурованими: списки (list) та кортежі (tuple), словники (dict), множини (set);
функціональними: функції, методи;
структурними: класи, обʼєкти класів;
системними: модулі, файли, винятки.

Посилання — асоціація імені й обʼєкта

У Python оператор присвоювання = не копіює значення, а встановлює зв’язок (посилання) між іменем і обʼєктом, який зберігається в оперативній памʼяті. Цей зв’язок створюється під час виконання програми.

Як працює оператор присвоювання? Ось його загальний вигляд:

<імʼя> = <вираз>

Розгляньмо крок за кроком:

Обчислення виразу (права частина). Інтерпретатор виконує вираз, що розташований праворуч від =, і отримує обʼєкт з певним значенням.
Обробка імені (ліва частина). Інтерпретатор звертається до таблиці імен (списку змінних у поточному просторі імен):
1. якщо імʼя не знайдено, то створюється новий запис з цим імʼям, і воно починає посилатися на обʼєкт.
2. якщо імʼя вже існує, то оновлюється посилання — воно починає вказувати на новий обʼєкт. Попереднє посилання (на старий обʼєкт) затирається. Якщо на старий обʼєкт більше немає посилань, він стає непотрібним і може бути видалений автоматично — цей процес називається збиранням сміття (garbage collection).

Розглянемо, як інтерпретатор обробляє цей оператор крок за кроком:

x = 2 + 3

Обчислює праву частину виразу (2+3).
Створює обʼєкт типу int зі значенням 5.
Розміщує цей обʼєкт в оперативній памʼяті.
Шукає імʼя x в таблиці імен, та не знаходить його.
Створює новий запис в таблиці імен і воно посилається на обʼєкт 5,

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    x
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    5
  }

  x -> 5
}

У Python оператор = не копіює значення, а лише копіює посилання на обʼєкт у памʼяті.

Розглянемо приклад:

a = 10
b = a

Вираз 10 створює обʼєкт типу int зі значенням 10, який зберігається в оперативній памʼяті.
Імʼя a починає посилатися на цей обʼєкт.
Вираз b = a не створює нове число, а лише створює нове імʼя b, яке теж посилається на той самий обʼєкт, що й a.

Тобто a і b — це два імені, які посилаються на один і той самий обʼєкт у памʼяті.

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    a
    b
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    10
  }

  a -> 10
  b -> 10
}

Операції з посиланнями

Ідентичність обʼєкта: `id`

Функція id(<імʼя_змінної>) повертає ідентифікатор обʼєкта — унікальне ціле число, яке зберігається постійно протягом життя обʼєкта.

У більшості реалізацій Python (зокрема CPython) це число збігається з адресою обʼєкта в оперативній памʼяті.

Приклад:

x = 42
print(id(x))  # Наприклад, 140724960578320

Це значення дозволяє:

перевірити, чи два імені вказують на один і той самий обʼєкт;
лідити механізми управління памʼяттю в Python.

Порівняння ідентифікаторів обʼєктів: `is`

У Python оператор is і функція id() дозволяють перевірити, чи два імені посилаються на один і той самий обʼєкт у памʼяті.

Приклад 1: Незмінні обʼєкти — цілі числа:

a = 100
b = 100
print(a is b)           # True
print(id(a) == id(b))   # True

Python зберігає в памʼяті один обʼєкт для “малих” цілих чисел (від -5 до 256), тому a і b посилаються на один обʼєкт.

Приклад 2: Змінні обʼєкти — списки:

a = [1, 2]
b = [1, 2]
print(a == b)           # True, тому що однакові за змістом
print(a is b)           # False, тому що різні посилання на різні оʼєкти
print(id(a) == id(b))   # False, тому що різні посилання на різні оʼєкти

Списки a і b мають однакове значення (елементи), але це два різні обʼєкти в памʼяті. Тому порівняння через is або id() покаже, що це не одне й те саме.

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    a
    b
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    list1 [label="[1, 2]"]
    list2 [label="[1, 2]"]
  }

  a -> list1
  b -> list2
}

Приклад 3: Один обʼєкт — два імені:

x = [9, 8, 7]
y = x
print(x is y)           # True
print(id(x) == id(y))   # True

Оператор y = x не створює копію списку, а просто додає ще одне посилання на той самий обʼєкт у памʼяті.

Приклад 4: Рядки (з оптимізацією):

a = "hello"
b = "hello"
print(a is b)           # True у більшості реалізацій
print(id(a) == id(b))   # True

Python оптимізує зберігання рядкових літералів, тому однакові рядки часто розміщуються в памʼяті лише один раз. Проте, це не гарантується для рядків, створених динамічно.

Приклад 5: Рядки, створені явно як різні обʼєкти:

a = ''.join(['h', 'e', 'l', 'l', 'o'])
b = 'hello'
print(a == b)           # True, тому що однаковий зміст
print(a is b)           # Може бути False, тому що різні обʼєкти
print(id(a) == id(b))   # Може бути False, тому що різні обʼєкти

Результат залежить від контексту виконання та реалізації інтерпретатора.

Видалення посилання: `del`

Оператор del видаляє імʼя змінної з таблиці імен (простору імен). Це не обов’язково видаляє сам обʼєкт — лише якщо більше немає інших посилань на цей обʼєкт, він буде автоматично видалений збирачем сміття.

Приклад:

a = [1, 2, 3]
b = a
del a  # видаляємо посилання a, але b ще існує
print(b)  # [1, 2, 3]
print(a)  # Помилка NameError

Стан памʼяті після видалення del a:

digraph {
  rankdir=LR
  node [shape=record fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];
  edge [fontname="Helvetica" fontsize="12" color="#87D0F5" penwidth=2];

  subgraph cluster_name {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Імена";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    a [color="gray" fontcolor="gray" style="dashed"]
    b
  }

  subgraph cluster_value {
    style     = filled;
    color     = "#f9f9f9";
    label     = "Обʼєкти";
    fontname  = "Helvetica"
    fontsize  = "10"
    labeljust = "l"

    list_value [label="[1, 2, 3]"];
  }

  b -> list_value
}

Помилка при зверненні до імені, що не існує

Якщо спробувати звернутися до імені, яке вже було видалене, або ніколи не існувало, виникає помилка NameError:

print(a)    # NameError: name 'a' is not defined

Змінні, посилання та оперативна памʼять

Динамічна типізація в Python

Змінні, імена, посилання, обʼєкти

Посилання — асоціація імені й обʼєкта

Операції з посиланнями

Ідентичність обʼєкта: id

Порівняння ідентифікаторів обʼєктів: is

Видалення посилання: del

Помилка при зверненні до імені, що не існує

Ідентичність обʼєкта: `id`

Порівняння ідентифікаторів обʼєктів: `is`

Видалення посилання: `del`