Python中的赋值、浅拷贝与深拷贝的实现细节与内部机制

描述

在Python中，赋值、浅拷贝（shallow copy）和深拷贝（deep copy）是处理对象复制的三种不同方式，它们对原始对象及其嵌套对象的引用处理有显著差异。理解其底层实现有助于避免在操作可变对象（如列表、字典）时产生意外的副作用。

1. 赋值（Assignment）

机制：
赋值操作（如 b = a）不会创建新对象，只是新增一个指向同一对象的引用（即绑定相同的对象ID）。

示例与内部细节：

a = [1, 2, [3, 4]]
b = a
print(id(a) == id(b))  # True，两者是同一对象

• 变量 a 和 b 在内存中指向同一个列表对象，修改其中一个会影响另一个。
• 本质是引用复制，仅增加该对象的引用计数（reference count）。

2. 浅拷贝（Shallow Copy）

机制：
创建一个新容器对象，但填充的是对原始对象内部元素的引用（而非创建内部元素的副本）。
常用方法：

• 列表/字典的 copy() 方法
• copy.copy()
• 切片操作（如 list[:]）

示例：

import copy
a = [1, 2, [3, 4]]
b = copy.copy(a)  # 或 a.copy() 或 a[:]

print(id(a) == id(b))        # False，外层是新对象
print(id(a[2]) == id(b[2]))  # True，内层嵌套列表仍为同一对象

• 外层列表是新对象，但内部嵌套的 [3, 4] 列表仍被共享。
• 修改 a[2].append(5) 会同时影响 b[2]，因为两者引用同一嵌套列表。

3. 深拷贝（Deep Copy）

机制：
递归地创建新对象，并复制所有嵌套对象，最终得到完全独立的副本。
常用方法：copy.deepcopy()。

示例：

import copy
a = [1, 2, [3, 4]]
b = copy.deepcopy(a)

print(id(a) == id(b))        # False
print(id(a[2]) == id(b[2]))  # False，内层列表也是新对象

• 深拷贝会递归遍历所有嵌套的可变对象，并为它们创建独立副本。
• 修改 a[2] 不会影响 b[2]。

4. 底层实现细节

（1）浅拷贝的实现

• 对可变序列（如列表），copy.copy() 会调用对象的 __copy__() 方法（如果存在）。
• 列表的 copy() 方法本质是调用 list[:]，通过切片操作触发 PySequence_GetSlice 内部函数，逐个复制元素的引用到新列表。
• 字典的 copy() 方法调用 PyDict_Copy，复制键值对的引用。

（2）深拷贝的实现

• copy.deepcopy() 会维护一个 memo 字典（映射：原始对象ID → 副本对象），用于处理循环引用。
• 遍历对象时，若对象已在 memo 中，则直接返回对应的副本，避免无限递归。
• 对不可变对象（如整数、字符串、元组），如果其内部不含可变元素，则直接返回原对象（因为不可变对象无需复制）。
• 对自定义类，可定义 __deepcopy__() 方法控制深拷贝行为。

（3）特殊情况的处理

• 循环引用：

  a = []; b = []; a.append(b); b.append(a)
  c = copy.deepcopy(a)  # 正常执行，memo字典避免递归爆炸
  

• 不可变容器包含可变元素（如元组内含列表）：

  t = ([1, 2], 3)
  t2 = copy.deepcopy(t)  # 创建新元组，其内部的列表是新对象
  

5. 总结与选择建议

关键点：

• 浅拷贝在嵌套层级大于1时可能产生副作用，需谨慎使用。
• 深拷贝有性能开销（递归遍历）和内存开销，但对需要隔离的数据是必要的。
• 对不可变对象（如字符串、整数），三种操作效果相同（因对象不可变，共享无风险）。