為什么 Python 不用聲明類型？

作者：編程指北

來(lái)源：編程指北

變量為什么需要類型？

這個(gè)問(wèn)題點(diǎn)像手機(jī)為什么叫手機(jī)，電腦為什么叫電腦，這種“日用而不知”的感覺(jué)。

為什么有些語(yǔ)言需要申明類型，而有些語(yǔ)言卻不需要申明類型？

前者如 C/C++、Java，后者有 Python、JS 。

首先，在討論為什么需要類型之前，先聊聊類型。

一、 類型

我們都知道，不管是中文、英文還是編程語(yǔ)言，都具有語(yǔ)法，語(yǔ)法規(guī)定了詞怎么組成句子是符合規(guī)范的。

int a = 10;是可以的，但是a int = 10; 卻不符合 C 語(yǔ)法規(guī)范。

10 + 10 是正確的，但是10 + “hello” 卻是一個(gè)無(wú)效的表達(dá)式，但是該怎么判定呢？

答案就是「類型系統(tǒng)」，類型系統(tǒng)可以構(gòu)建起一套判斷表達(dá)式是否合法的規(guī)則。

對(duì)于每個(gè)變量都賦予一個(gè)類型，對(duì)于每種類型都定義了一組操作集合，而變量作為類型的實(shí)例，自然的繼承了這些操作。

比如我們可以規(guī)定int + int、string + string 是合法的操作，直接禁止int + string等操作。

通過(guò)顯示的將變量賦予類型，我們便可以在編譯時(shí)去檢查是否合法。

二、 變量

之前我在指針的那篇文章種說(shuō)到：變量名是變量地址的符號(hào)化，變量名是為了讓我們編程時(shí)更加方便，對(duì)人友好，可計(jì)算機(jī)可不認(rèn)識(shí)什么變量 a，它只知道地址和指令。

所以當(dāng)你去查看 C 語(yǔ)言編譯后的匯編代碼，就會(huì)發(fā)現(xiàn)變量名消失了，取而代之的是一串串抽象的地址。

可以認(rèn)為，編譯器會(huì)自動(dòng)維護(hù)一個(gè)映射，將我們程序中的變量名轉(zhuǎn)換為變量所對(duì)應(yīng)的地址，然后再對(duì)這個(gè)地址去進(jìn)行讀寫操作。

三、類型規(guī)定了什么？

我個(gè)人覺(jué)得類型首先是定義了一組操作，這是語(yǔ)法層面。

那所有的高級(jí)語(yǔ)言最后都會(huì)變成機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行（解釋型除外），再高級(jí)一點(diǎn)，那就是匯編，我們知道匯編語(yǔ)言是由一條條指令構(gòu)成的。

而對(duì)于任何一條指令，最重要的有兩點(diǎn)：數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)在哪。

比如mov dest,src將一個(gè)字節(jié)從源地址 src 傳送到目的地址 dest。

實(shí)際上，數(shù)據(jù)在哪就是地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度其實(shí)某方面就是取決于類型。

也正是這樣，我之前在指針那篇文章中提到：指針的本質(zhì)就是存儲(chǔ)別的變量的地址，那么指針的類型是干什么用的呢？

是的，就是去訪問(wèn)指針?biāo)赶虻牡刂返臅r(shí)候，指針的類型和指針的值（變量地址），提供了一條匯編指令最關(guān)鍵的兩點(diǎn)：數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)地址。

所以，類型除了提供語(yǔ)法檢查以外，還能夠明確變量所占據(jù)的內(nèi)存空間。

同樣也是規(guī)定了對(duì)字節(jié)的解釋方式，同樣 4 個(gè)byte，按照 int 和 float 類型解釋得到的值完全不同。

更為本質(zhì)的是，最終執(zhí)行指令的 CPU 是區(qū)分了數(shù)據(jù)的類型的，不同的類型用不同的運(yùn)算器，比如有 CPU 整形運(yùn)算和 CPU 浮點(diǎn)型運(yùn)算，不過(guò)浮點(diǎn)運(yùn)算最為擅長(zhǎng)的應(yīng)該是 GPU。

也正是因?yàn)?CPU 區(qū)分了類型，上層的匯編、高級(jí)語(yǔ)言才需要區(qū)分變量的類型，CPU 基礎(chǔ)決定了上層建筑。

四、 編譯型&解釋型

為什么 C/C++、Java 這類編譯型語(yǔ)言就需要顯示聲明類型，而 Python 這類解釋型語(yǔ)言就不需要呢？

所以是所有的編譯型都需要申明類型？所有的解釋型都不需要？

這個(gè)理解是不對(duì)的。

首先，“編譯”和“解釋”是語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的特征， 語(yǔ)言本身可以以任何一種方式實(shí)現(xiàn)。

可能我們大多只了解過(guò) C 編譯器（如GCC 、Clang ），卻很少聽(tīng)過(guò) C 解釋器，如 Ch。

但是，即使使用 Ch 解釋器，我們?nèi)稳恍枰?Ch 解釋的 C 代碼中申明類型。

為什么 Python 可以不用申明類型？

因?yàn)?Python 中的對(duì)象模型本身在運(yùn)行時(shí)自帶了“類型”這個(gè)信息，下面是 CPython 源碼中關(guān)于對(duì)象的定義：

這個(gè)ob_type就是用來(lái) Python 運(yùn)行時(shí)檢測(cè)變量類型的，而 Python 中的所有變量本質(zhì)上都是一個(gè)對(duì)象的“指針”。

也正因?yàn)槿绱耍琍ython 中的各種變量之間才能隨意賦值，因?yàn)橘x值的本質(zhì)其實(shí)就是改變一下變量所指向的對(duì)象。

而真正到了解釋執(zhí)行的時(shí)候，Python 解釋器就會(huì)取出這個(gè)類型字段，來(lái)判斷操作是否符合語(yǔ)法，不符合的話就會(huì)運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)。

這個(gè)_typeobject 結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部就定義了對(duì)象一系列的操作，比如 hashfunc、getattrfunc、setattrfunc等。

那么，為什么 C 即使是解釋執(zhí)行也需要申明類型呢?

很簡(jiǎn)單，因?yàn)?C 的對(duì)象模型中不會(huì)有”類型“這個(gè)字段，是 int 變量那直接就是 4 個(gè)字節(jié)，char 就 一個(gè)字節(jié)。

而 Python 的 int 變量，除了4 個(gè)字節(jié)的值本身以外，還需要占據(jù)一系列的描述類型的空間。

也就是說(shuō) C 語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)完全沒(méi)有類型這種信息，所以需要在編譯、解釋的時(shí)候就帶上。

之前偶爾會(huì)聽(tīng)到有人說(shuō) Python 是無(wú)類型的，這是完全錯(cuò)誤的，看過(guò)這篇文章后，相信你一定不會(huì)說(shuō)錯(cuò)了。

當(dāng)然了，本文也只是簡(jiǎn)單的從粗淺的語(yǔ)法和實(shí)現(xiàn)層面解釋了下，關(guān)于類型系統(tǒng)、類型推導(dǎo)等有人在研究的，這個(gè)也不是咱擅長(zhǎng)的地方，感興趣可以去搜一下。

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