Python 爲什麼只需一條語句“a,b=b,a”，就能直接交換兩個變量？

:point_up_2: “ Python貓 ” ，一個值得加星標的公衆號

從接觸 Python 時起，我就覺得 Python 的元組解包（unpacking）挺有意思，非常簡潔好用。

最顯而易見的例子就是多重賦值，即在一條語句中同時給多個變量賦值：

>>> x, y = 1, 2
>>> print(x, y)  # 結果：1 2

在此例中，賦值操作符“=”號的右側的兩個數字會被存入到一個元組中，即變成 (1,2)，然後再被解包，依次賦值給“=”號左側的兩個變量。

如果我們直接寫 x = 1,2 ，然後打印出 x，或者在“=”號右側寫成一個元組，就能證實到這一點：

>>> x = 1, 2
>>> print(x)     # 結果：(1, 2)
>>> x, y = (1, 2)
>>> print(x, y)  # 結果：1 2

一些博客或公衆號文章在介紹到這個特性時，通常會順着舉一個例子，即基於兩個變量，直接交換它們的值：

>>> x, y = 1, 2
>>> x, y = y, x
>>> print(x, y) # 結果：2 1

一般而言，交換兩個變量的操作需要引入第三個變量。道理很簡單，如果要交換兩個杯子中所裝的水，自然會需要第三個容器作爲中轉。

然而，Python 的寫法並不需要藉助中間變量，它的形式就跟前面的解包賦值一樣。正因爲這個形式相似，很多人就誤以爲 Python 的變量交換操作也是基於解包操作。

但是，事實是否如此呢？

我搜索了一番，發現有人試圖回答過這個問題，但是他們的回答基本不夠全面。（當然，有不少是錯誤的答案，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於解包操作，有時候是，有時候不是！

有沒有覺得這個答案很神奇呢？是不是聞所未聞？！

到底怎麼回事呢？先來看看標題中最簡單的兩個變量的情況，我們上 dis 大殺器看看編譯的字節碼：

上圖開了兩個窗口，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 LOAD_FAST 是從局部作用域中讀取變量的引用，並存入棧中，接着是最關鍵的 ROT_TWO 操作，它會交換兩個變量的引用值，然後兩個 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“=”號右側的兩個數字作爲元組放到棧中，第二步 UNPACK_SEQUENCE 是序列解包，接着把解包結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際上完成的操作並不相同。在交換變量的操作中，並沒有裝包和解包的步驟！

ROT_TWO 指令是 CPython 解釋器實現的對於棧頂兩個元素的快捷操作，改變它們指向的引用對象。

還有兩個類似的指令是 ROT_THREE 和 ROT_FOUR，分別是快捷交換三和四個變量（摘自：ceval.c 文件，最新的 3.9 分支）：

預定義的棧頂操作如下：

查看官方文檔中對於這幾個指令的解釋，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 應該是以爲這幾種變量的交換操作很常見，因此才提供了專門的優化指令。就像 [-5,256] 這些小整數被預先放到了整數池裏一樣。

對於更多變量的交換操作，實際上則會用到前面說的解包操作：

截圖中的 BUILD_TUPLE 指令會將給定數量的棧頂元素創建成元組，然後被 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 build 操作，是因爲每個變量的 LOAD_FAST 需要先單獨入棧，無法直接被組合成 LOAD_CONST 入棧。也就是說，“=”號右側有變量時，不會出現前文中的 LOAD_CONST 一個元組的情況。

最後還有一個值得一提的細節，那幾個指令是跟棧中元素的數量有關，而不是跟賦值語句中實際交換的變量數有關。看一個例子就明白了：

分析至此，你應該明白前文中的結論是怎麼回事了吧？

我們稍微總結一下：

Python 能在一條語句中實現多重賦值，這是利用了序列解包的特性
Python 能在一條語句中實現變量交換，不需引入中間變量，在變量數少於 4 個時（3.8 版本起是少於 5 個），CPython 是利用了 ROT_* 指令來交換棧中的元素，當變量數超出時，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優化的指令，這絕對會超出大多數人的認知

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寫在最後：本文屬於“Python爲什麼”系列（Python貓出品），該系列主要關注 Python 的語法、設計和發展等話題，以一個個“爲什麼”式的問題爲切入點，試着展現 Python 的迷人魅力。部分話題會推出視頻版，請在 B 站收看，觀看地址： (https://space.bilibili.com/97566624/video)