抽絲剝繭，深入剖析 Python 如何實現變量交換！
Python 程序員肯定知道 a,b = b,a，這句話用來交換兩個變量。相較于其它語言需要引入一個 temp 來臨時存儲變量的做法，Python 的這種寫法無疑非常優(yōu)雅。
佶屈聱牙的 C 寫法：
int a = 1;
int b = 2;
int temp;
temp = a;
a = b;
b = temp;
簡潔優(yōu)雅的 Python 寫法：
a,b = 1,2
a,b = b,a
雖然語法非常方便，但我們始終不曾想過：它是怎么運作的？背后支撐它的機制是什么？下面讓我們一步步分析它。
通俗的說法
最常見的解釋是：
a,b = b,a 中右側是元組表達式，即 b,a 是一個兩個元素的 tuple(a,b)。表達式左側是兩個待分配元素，而 = 相當于元組元素拆包賦值操作。
這種方法，理解起來最簡單，但實際是這種情況么？
讓我們從字節(jié)碼上看下，是不是這種情況。
從字節(jié)碼一窺交換變量
大家可能不太了解 Python 字節(jié)碼。Python 解釋器是一個基于棧的虛擬機。Python 解釋器就是編譯、解釋 Python 代碼的二進制程序。
虛擬機是一種執(zhí)行代碼的容器，相較于二進制代碼具有方便移植的特點。而 Python 的虛擬機就是棧機器。
Python 中函數調用、變量賦值等操作，最后都轉換為對棧的操作。這些對棧的具體操作，就保存在字節(jié)碼里。
dis 模塊可以反編譯字節(jié)碼，使其變成人類可讀的棧機器指令。如下，我們看反編譯 a,b=b,a 的代碼。
>>> import dis
>>> dis.dis("a,b=b,a")
1 0 LOAD_NAME 0 (b)
2 LOAD_NAME 1 (a)
4 ROT_TWO
6 STORE_NAME 1 (a)
8 STORE_NAME 0 (b)
10 LOAD_CONST 0 (None)
12 RETURN_VALUE
可見，在 Python 虛擬機的棧上，我們按照表達式右側的 b,a 的順序，先后壓入計算棧中，然后用一個重要指令 ROT_TWO，這個操作交換了 a 和 b 的位置，最后 STORE_NAME 操作將棧頂的兩個元素先后彈出，傳遞給 a 和 b 元素。
棧的特性是先進后出（FILO）。當我們按b,a順序壓入棧的時候，彈出時先出的就是a,再彈出就是b。STORE_NAME指令會把棧頂元素彈出，并關聯(lián)到相應變量上。
如果沒有第 4 列的指令 ROT_TWO，此次 STORE_NAME 彈出的第一個變量會是后壓棧的 a，這樣就是 a=a 的效果。有了 ROT_TWO 則完成了變量的交換。
好了，我們知道靠壓棧、彈棧和交換棧頂的兩個元素，實現了 a,b = b,a 的操作。
同時，我們也知道了，上訴元組拆包賦值的說法，是不恰當的。
那 ROT_TWO 是怎么具體操作的呢？
后臺怎么執(zhí)行？
見名知意，可以猜出來 ROT_TWO 是交換兩個棧頂變量的操作。在 Python 源代碼的層面上，來看是如何交換兩個棧頂的元素。
下載 Python 源代碼，進入 Python/ceval.c 文件，在 1101 行，我們看到了 ROT_TWO 的操作。
TARGET(ROT_TWO){
PyObject *top = TOP();
PyObject *second = SECOND();
SET_TOP(second);
SET_SECOND(top);
FAST_DISPATCH();
}
代碼比較簡單，我們用 TOP 和 SECOND 宏獲取了棧上的 a,b 元素，然后再用 SET_TOP、SET_SECOND 宏把值寫入棧中。以此完成交換棧頂元素的操作。
求值順序的奇怪現象！
下面，我們來看一個奇怪的現象，在這篇文章里，也可以看到這個現象。如下，我們試圖排序這個列表：
>>> a = [0, 1, 3, 2, 4]
>>> a[a[2]], a[2] = a[2], a[a[2]]
>>> a
>>> [0, 1, 2, 3, 4]
>>> a = [0, 1, 3, 2, 4]
>>> a[2], a[a[2]] = a[a[2]],a[2]
>>> a
>>> [0, 1, 3, 3, 4]
按照理解 a,b = b,a 和 b,a=a,b 是一樣的結果，但從上例中我們看到，這兩者的結果是不同的。
導致這一現象的原因在于：求值的順序。毫無疑問，整個表達式先求右側的兩個元素，然后作為常數保存起來。最后賦值給左側的兩個變量。
最后賦值時，需要注意，我們從左到右依次賦值，如果 a[2] 先修改的話，勢必會影響到其后的 a[a[2]] 的列表下標。
“你可以使用反匯編代碼，來分析產生這個現象的具體步驟。
”
奇怪的變回拆包現象?。?/span>
當我們使用常數作為右側元組，來給左側變量賦值時；或使用超過三個元素，來完成便捷交換時，其在字節(jié)碼層次上便不是 ROT_TWO 這種操作了。
>>> dis.dis("a,b,c,d=b,c,d,a")
1 0 LOAD_NAME
3 LOAD_NAME
6 LOAD_NAME
9 LOAD_NAME
12 BUILD_TUPLE
15 UNPACK_SEQUENCE
18 STORE_NAME
21 STORE_NAME
24 STORE_NAME
27 STORE_NAME
30 LOAD_CONST
33 RETURN_VALUE
>>>
很明顯，這里是在偏移 12 字節(jié)處 BUILD_TUPLE 組裝元組，然后解包賦值給左側變量。上文所述的通俗說法，在這里又成立了！
也就是說，當小于四個元素交換時，Python 采用優(yōu)化的棧操作來完成交換。
當使用常量或者超過四個元素時，采用元組拆包賦值的方式來交換。
至于為什么是四個元素，應該是因為 Python 最多支持到 ROT_THREE 操作，四個元素的話，系統(tǒng)不知道該怎么優(yōu)化了。但在新版本的 Python 中，我看到了 ROT_FOUR 操作，所以這時候，四個元素還是 ROT_* 操作來優(yōu)化的。
>>>import opcode
>>>opcode.opmap["ROT_THREE"]
3
此例中，該版本 Python 支持 ROT_THREE 操作，你也可以使用 ROT_FOUR 查看自己 Python 是否支持，進而確定是否可以四個以上元素便捷交換。
總結
綜上，我們了解了 Python 中優(yōu)雅的 a,b = b,a 交換變量方法的實現和運行原理，深入了解其求值順序和局限性，同時學習了深入分析 Python 代碼的思路和方法，如果對你有幫助，可以給本文點個贊，也歡迎分享出去讓更多人看見！
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