Python 為什么只需一條語句“a,b=b,a”，就能直接交換兩個(gè)變量？
從接觸 Python 時(shí)起，我就覺得 Python 的元組解包(unpacking)挺有意思，非常簡(jiǎn)潔好用。
最顯而易見的例子就是多重賦值，即在一條語句中同時(shí)給多個(gè)變量賦值：
- >>> x, y = 1, 2
- >>> print(x, y) # 結(jié)果：1 2
在此例中，賦值操作符“=”號(hào)的右側(cè)的兩個(gè)數(shù)字會(huì)被存入到一個(gè)元組中，即變成 (1,2)，然后再被解包，依次賦值給“=”號(hào)左側(cè)的兩個(gè)變量。
如果我們直接寫x = 1,2 ，然后打印出 x，或者在“=”號(hào)右側(cè)寫成一個(gè)元組，就能證實(shí)到這一點(diǎn)：
- >>> x = 1, 2
- >>> print(x) # 結(jié)果：(1, 2)
- >>> x, y = (1, 2)
- >>> print(x, y) # 結(jié)果：1 2
一些博客或公眾號(hào)文章在介紹到這個(gè)特性時(shí)，通常會(huì)順著舉一個(gè)例子，即基于兩個(gè)變量，直接交換它們的值：
- >>> x, y = 1, 2
- >>> x, y = y, x
- >>> print(x, y) # 結(jié)果：2 1
一般而言，交換兩個(gè)變量的操作需要引入第三個(gè)變量。道理很簡(jiǎn)單，如果要交換兩個(gè)杯子中所裝的水，自然會(huì)需要第三個(gè)容器作為中轉(zhuǎn)。
然而，Python 的寫法并不需要借助中間變量，它的形式就跟前面的解包賦值一樣。正因?yàn)檫@個(gè)形式相似，很多人就誤以為 Python 的變量交換操作也是基于解包操作。
但是，事實(shí)是否如此呢?
我搜索了一番，發(fā)現(xiàn)有人試圖回答過這個(gè)問題，但是他們的回答基本不夠全面。(當(dāng)然，有不少是錯(cuò)誤的答案，還有更多人只是知其然，卻從未想過要知其所以然)
先把本文的答案放出來吧：Python 的交換變量操作不完全基于解包操作，有時(shí)候是，有時(shí)候不是!
有沒有覺得這個(gè)答案很神奇呢?是不是聞所未聞?!
到底怎么回事呢?先來看看標(biāo)題中最簡(jiǎn)單的兩個(gè)變量的情況，我們上dis 大殺器看看編譯的字節(jié)碼：
上圖開了兩個(gè)窗口，可以方便比較“a,b=b,a”與“a,b=1,2”的不同：
- “a,b=b,a”操作：兩個(gè) LOAD_FAST 是從局部作用域中讀取變量的引用，并存入棧中，接著是最關(guān)鍵的 ROT_TWO 操作，它會(huì)交換兩個(gè)變量的引用值，然后兩個(gè) STORE_FAST 是將棧中的變量寫入局部作用域中。
- “a,b=1,2”操作：第一步 LOAD_CONST 把“=”號(hào)右側(cè)的兩個(gè)數(shù)字作為元組放到棧中，第二步 UNPACK_SEQUENCE 是序列解包，接著把解包結(jié)果寫入局部作用域的變量上。
很明顯，形式相似的兩種寫法實(shí)際上完成的操作并不相同。在交換變量的操作中，并沒有裝包和解包的步驟!
ROT_TWO 指令是 CPython 解釋器實(shí)現(xiàn)的對(duì)于棧頂兩個(gè)元素的快捷操作，改變它們指向的引用對(duì)象。
還有兩個(gè)類似的指令是 ROT_THREE 和 ROT_FOUR，分別是快捷交換三和四個(gè)變量(摘自：ceval.c 文件，最新的 3.9 分支)：
預(yù)定義的棧頂操作如下：
查看官方文檔中對(duì)于這幾個(gè)指令的解釋，其中 ROT_FOUR 是 3.8 版本新加的：
- ROT_TWO
- Swaps the two top-most stack items.
- ROT_THREE
- Lifts second and third stack item one position up, moves top down to position three.
- ROT_FOUR
- Lifts second, third and forth stack items one position up, moves top down to position four.
- New in version 3.8.
CPython 應(yīng)該是以為這幾種變量的交換操作很常見，因此才提供了專門的優(yōu)化指令。就像 [-5,256] 這些小整數(shù)被預(yù)先放到了整數(shù)池里一樣。
對(duì)于更多變量的交換操作，實(shí)際上則會(huì)用到前面說的解包操作：
截圖中的 BUILD_TUPLE 指令會(huì)將給定數(shù)量的棧頂元素創(chuàng)建成元組，然后被 UNPACK_SEQUENCE 指令解包，再依次賦值。
值得一提的是，此處之所以比前面的“a,b=1,2”多出一個(gè) build 操作，是因?yàn)槊總€(gè)變量的 LOAD_FAST 需要先單獨(dú)入棧，無法直接被組合成 LOAD_CONST 入棧。也就是說，“=”號(hào)右側(cè)有變量時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)前文中的 LOAD_CONST 一個(gè)元組的情況。
最后還有一個(gè)值得一提的細(xì)節(jié)，那幾個(gè)指令是跟棧中元素的數(shù)量有關(guān)，而不是跟賦值語句中實(shí)際交換的變量數(shù)有關(guān)。看一個(gè)例子就明白了：
分析至此，你應(yīng)該明白前文中的結(jié)論是怎么回事了吧?
我們稍微總結(jié)一下：
- Python 能在一條語句中實(shí)現(xiàn)多重賦值，這是利用了序列解包的特性
- Python 能在一條語句中實(shí)現(xiàn)變量交換，不需引入中間變量，在變量數(shù)少于 4 個(gè)時(shí)(3.8 版本起是少于 5 個(gè))，CPython 是利用了 ROT_* 指令來交換棧中的元素，當(dāng)變量數(shù)超出時(shí)，則是利用了序列解包的特性。
- 序列解包是 Python 的一大特性，但是在本文的例子中，CPython 解釋器在小小的操作中還提供了幾個(gè)優(yōu)化的指令，這絕對(duì)會(huì)超出大多數(shù)人的認(rèn)知
