发表日期：2019-07-11

不是我吓你，在 Python 里用 is 进行比较的后果很危险！

—— 开发：“我这里是好的！”

作者：Brad Dettmer

今天，让我们聊一聊我在 Python 中遇到的一个奇怪的整型数字 bug。我之前在加拿大的 PyCon 2018 上也聊过这个话题，如果你喜欢，可以在这里看到在线 PPT 讲义（英文版），也可以在这里下载PDF版（提取码: mqbx）。

那么，接下来我就详细讲讲这个 bug 背后的原理，帮助大家理解为啥这是一个 bug，以及为啥这个 bug 只在比较数目较大的整型数字时出现。我个人认为，bug 可是初学者最好的老师，希望你们也能有所收获。

让我们开始吧！

预订系统界面截图，右侧是当前可选择的预约时间

事情是这样的。当时我搭建了一个预约试骑动感单车的网站，结果遇到了一个 bug。那时一切看起来都很正常，我甚至已经好几天没有改动系统代码了——所以，当我收到这样一条私信的时候，心里其实是不太相信的：

Paul 发给我的私信：“我登记了两个（预约），时间是 9 月 25 日上午 7 点。然而它返回的预约结果总是一个空数组。”

让我们跳过那些“你会用吗”和“可我这是好的”的对话，直接看看这个问题的表现：用户确实提交了两个预约，然而它们并没有被记录到系统里，而且——最让我不可思议的是——在这之前这个功能是好的，这期间我甚至没有改动过代码！这到底什么情况？

经过一番排查，我终于找到了这段没有正常工作的代码，它是在一个循环中，负责根据预约的时间（ time_slot ）对预约申请进行分组，并返回一个列表给 API 使用：

if appointment.time_slot_id is time_slot.id:
    time_slot_appointments.append(appointment)

出问题的地方就是这个 is 啦。但最诡异的是，当 time_slot_id 和 time_slot.id 都是小于等于 256 的整型数字时，这段代码一点问题都没有；只有当预约数量达到一定程度，使得 time_slot_id 或 time_slot.id 大于 256 时，问题就出现了——这个表达式永远返回 False。

这是为什么呢？

两种比较方式的区别

为了解释这个问题，我需要给大家介绍一下 Python 中的两种不同比较方式：

• 使用 is 关键字进行的比较是“引用比较”。这里的“引用”就相当于一个索引号，一个地址，或是指向一个对象的指针。用 is 进行比较正是造成这个奇怪 bug 的根源。
• 使用 == 操作符进行的比较是“值比较”，也就是比较两个对象的“值”。

为了直观起见，我要用我最喜欢的狗狗钞票来演示下 is 和 == 这两种比较方式的区别。

Paul 和 Brad 都指向同一张“1 元”狗狗钞票

如上图，Paul 和我共同拥有一张狗狗钞票。如果我们要对彼此的钱进行比较，很明显我们对它的“引用”和“值”都是一样的——我有的这张也正是他拥有的同一张，所以 is 比较的结果是 True；同时，同一张钱的面值肯定一样，所以 == 比较的结果也是 True。

让我们看下一个例子。

Paul 和 Brad 分别指向一张不同的狗狗钞票，它们的面值都是“1 元”

如上图，我们分别拥有一张自己的狗狗钞票，它们的面值恰好一样。

在这种情况下，如果我们比一比，就会发现，我们的“引用”是不一样的——他的钱并不是我手里的这一张——但“值”是一样的，都是“1 元”。所以 is 比较的结果是 False，== 比较的结果还是 True。

Python 解释器是怎么比较的

想要理解为啥只有数字大到一定程度的时候才会出 bug，让我们回到 Python 解释器里，看看它是怎么管理内存的。

Python 解释器中的调用栈（Call Stack）,以及分配的内存中的私有堆（Private Heap）与 PyObject 对象。调用栈中的帧（frame）指向堆中的某个 PyObject 对象。

Python 解释器是一个基于栈的虚拟机，它将所有对象都存储在其私有堆中。你可以把这个“堆”理解成分配好的一段内存，或是一个包含数据的巨大数组。

接着，让我们看看堆里存储的这些对象：

私有堆里存储了一个叫做 small_ints 的数组，包含了从 -5 到 256 的整数

在 Python 中，每一个赋值给变量的值，都作为堆里的一个对象存在。定义这些对象是需要消耗资源的，因为解释器需要调用内存管理来创建/调用/销毁对象。当把一个整数赋值给 Python 中的一个变量时，堆中必须有一个和这个整数对应的 PyObject 对象存在。

在 Python 中，数值型的整型数据是以 PyObject 对象的一个子类型： PyLong 对象的形式存储的。为了减少内存管理在处理小整型数字时候的开销，在 CPython 解释器中使用了“小整数对象池”进行优化。也就是说，值为 -5 到 256 的 PyLong 对象已经预置在 CPython 解释器的私有堆中，可以通过 small_ints 这个数组进行访问。

让我们看一个引用比较（用 is 进行比较）的例子。

首先，我们先初始化一个变量 v 值为整型数字 -5。接着，我们再初始化一个变量 w，值也是 -5。然后，我们用 is 比较这两个对象。结果为 True。如下图所示：

分别给变量 v 和 w 赋值 -5。此时 v 和 w 都指向小整数数组 small_ints 中的 -5，所以 v is w 的结果是 True。

让我们看看 CPython 里的源代码，以便理解一下为什么会出现上面的结果。下面这段代码用于获取一个小整数的对象实例：

get_small_int(sdigit ival)
{
    PyObject *v;
    ...
    v = (PyObject *)&small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
    ...
    return v;
}

源代码见： https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/longobject.c#L3005-L3013

如果我们使用的数字很小，解释器会直接从“小整数对象池” small_ints 数组中返回对应的对象。此时，解释器不需要在私有堆里新创建一个 PyObject 对象，因为 small_ints 数组是已经存在的对象。

接下来，我们把 v 和 w 进行比较。

下面这段 CPython 源码将会对两个 PyObject 对象进行比较。换句话说，它比较的是两个地址，或是指针。指针对象其实也是一种变量，它的值是其他变量的地址。运用 C 语言的知识，我们发现，这个比较函数 PyObject_RichCompareBool() 比较的是两个参数的指针（或地址），因为在参数 v 和 w 前面都有一个星号( * )。

/* Perform a rich comparison with integer result.
   This wraps PyObject_RichCompare(),
   returning -1 for error, 0 for false, 1 for true.
 */
int
PyObject_RichCompareBool(PyObject *v, PyObject *w, int op)
{
    ...
    /* Quick result when objects are the same.
       Guarantees that identity implies equality. */
    if (v == w) {
        if (op == Py_EQ)
            return 1;
        else if (op == Py_NE)
            return 0;
    }
    ...
}

源码见：https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/object.c#L751-L777

顺便一提，CPython 源码里实现引用比较的方式，是用 == 来对比两个对象指针的地址是否相同。换句话说，源码中用值比较的方式来实现引用比较的功能。如果 v 和 w 的对象指针地址相同，那么这个函数返回值为真。所以，如果 v 和 w 是值相同的小整数，它们就都指向 small_ints 数组中的同一个元素，也就会有相同的指针地址，而 PyObject_RichCompareBool() 函数也将返回 True。从更高层面来说，用 is 来对比两个对象，差不多相当于比较私有堆中的两个对象的位置。

那么，如果两个数字并不都在 small_ints 数组里，会怎么样呢？

拿 257 为例，既然 257 并不在 small_ints 数组范围中，当我们初始化 x 和 y 的时候，解释器就会生成两个值都是 257 的 PyObject 对象。那么，当我们用 is 来比较这两个对象的时候，因为它们指向的是不同的对象，表达式的结果就是 False。

初始化 x 和 y 变量，值都是 257。因为 x 和 y 都不在 small_ints 数组中，所以“ x is y ”的结果是 False

我的代码错在哪里？

现在我们再看看上面的代码。

if appointment.time_slot_id is time_slot.id:
    time_slot_appointments.append(appointment)

在这个 if 表达式中，几个对象的相互关系是这样的：

左边是 time_slot 对象，右边是 appointment 对象。对应的 time_slot.id 和 appointment.time_slot_id 都是整数（ PyLongObject 对象）。我们可以看到，当值大于 256 的时候，它们指向了不同的对象。

在我的代码中，我用的是引用比较，而不是值比较，这就导致代码会去比较这两个 PyLongObject 对象是否一致——显然它们只是恰好有同样的值——然后就返回了 False 。

那么，这就导致我们在为预约（ appointment )查询对应的时间段 ID 时，这个 if 表达式会把所有的预约条目都抛弃掉——因为它找不到返回值为 True 的情况。

要想修复这个 bug，其中一种方式是，把：

if appointment.time_slot_id is time_slot.id:

if appointment.time_slot.id is time_slot.id:

恩，把一个下划线改成了点。这样一改之后，我们比较的就是同一个 PyLongObject 对象啦。

不明白？没关系，我们看看下图：

把下划线改成点之后，appointment.time_slot_id 就变成了访问 appointment.time_slot 的 id 属性，而 appointment.time_slot 和 time_slot 是私有堆中的同一个 time_slot 对象。这也就意味着，它们的 id 等属性都是一样的。

用狗狗钞票来类比的话，我们认为 appointment.time_slot 和 time_slot 指向的是同一张钱钱。（突然装可爱）

当然，这种修复方式过于投机取巧了，万一程序中出现 time_slot 对象的多个实例，那这个程序又要崩了。

所以，最好的修复方式，还是老老实实用双等号来进行值比较。如果我们一开始就用 == 代替 is 来进行比较，代码就会只注意两个对象的值是否相同，也就不会闹出这样的 bug 啦。

结末的教训是：只有当你十分确定要比较的是两个对象本身的时候，才用 is 进行比较。

此外，当你理解了某个改动为什么能修复某个 bug 的时候，你将更好地理解这门语言的原理。对 Python 来说，一切都是对象，所以用 is 的时候，还是小心为妙。

最后，感谢大家的耐心阅读，也欢迎留言分享你在工作和学习中碰到的奇怪 bug！

（本文已投稿给「优达学城」。 原作： Brad Dettmer ，有删改，编译：欧剃 转载请保留此信息）

编译来源： https://medium.com/peloton-engineering/the-dangers-of-using-is-in-python-f42941124027

标签：Udacity、Translate、Python