7    Das Laufzeitmodell 

Dieses Kapitel wird Ihnen vermitteln, wie Python Variablen zur Laufzeit verwaltet und welche Besonderheiten sich dadurch für den Programmierer ergeben.

Variablen sind Platzhalter für Werte wie Zahlen, Listen oder sonstige Strukturen. Für die Programmierung ist der Begriff Speicherstelle eher zutreffend, da hier Variablen vor allem den Zweck erfüllen, Daten für ihre Weiterverwendung zwischenzuspeichern. Wie Sie bereits wissen, kann in Python eine neue Variable mit dem Namen a wie folgt angelegt werden:

>>> a = 1337

Anschließend kann der Platzhalter a wie der Zahlenwert 1337 benutzt werden:

>>> 2674 / a
2.0

Um zu verstehen, was intern passiert, wenn wir eine neue Variable erzeugen, müssen zwei Begriffe voneinander abgegrenzt werden: Referenz und Instanz. Eine Instanz ist ein konkretes Datenobjekt im Speicher, das nach der Vorlage eines bestimmten Datentyps erzeugt wurde – zum Beispiel die spezielle Zahl 1337 nach der Vorlage des Datentyps int.

Im Folgenden betrachten wir der Einfachheit halber nur Ganzzahlen und Strings – das Prinzip gilt aber für beliebige Datenobjekte.

Im einfachsten Fall lässt sich eine Instanz einer Ganzzahl folgendermaßen anlegen:

>>> 12345
12345

Für uns als Programmierer ist diese Instanz allerdings wenig praktisch, da sie zwar nach ihrer Erzeugung ausgegeben wird, dann aber nicht mehr zugänglich ist und wir so ihren Wert nicht weiterverwenden können.

An dieser Stelle kommen Referenzen ins Spiel. »Referenz« bedeutet so viel wie »Verweis«. Erst durch Referenzen wird es möglich, mit Instanzen zu arbeiten, weil Referenzen uns den Zugriff auf diese ermöglichen. Die einfachste Form einer Referenz in Python ist ein symbolischer Name wie beispielsweise a. Mit dem Zuweisungsoperator = kann man eine Referenz auf eine Instanz erzeugen, wobei die Referenz links und die Instanz rechts vom Operator steht:

>>> a = 12345

Damit können wir unser Beispiel wie folgt beschreiben: Wir erzeugen eine neue Instanz einer Ganzzahl mit dem Wert 1337. Außerdem legen wir eine Referenz a auf diese Instanz an. Dies lässt sich auch grafisch verdeutlichen:

Abbildung 7.1    Schema der Referenz-Instanz-Beziehung

Es ist auch möglich, bereits referenzierte Instanzen mit weiteren Referenzen zu versehen:

>>> referenz1 = 1337
>>> referenz2 = referenz1

Grafisch veranschaulicht, sieht das Ergebnis so aus:

Abbildung 7.2    Zwei Referenzen auf dieselbe Instanz

Besonders wichtig ist dabei, dass es nach wie vor nur eine Instanz mit dem Wert 1337 im Speicher gibt, obwohl wir mit zwei verschiedenen Namen referenz1 und referenz2 darauf zugreifen können. Durch die Zuweisung referenz2 = referenz1 wurde also nicht die Instanz 1337 kopiert, sondern nur ein weiteres Mal referenziert.

Bitte beachten Sie, dass Referenzen auf dieselbe Instanz voneinander unabhängig sind und sich der Wert, auf den die anderen Referenzen verweisen, nicht ändert, wenn wir einer von ihnen eine neue Instanz zuweisen:

>>> referenz1 = 1337
>>> referenz2 = referenz1
>>> referenz1
1337
>>> referenz2
1337
>>> referenz1 = 2674
>>> referenz1
2674
>>> referenz2
1337

Bis zu den ersten beiden Ausgaben haben wir die in Abbildung 7.2 veranschaulichte Situation: Die beiden Referenzen referenz1 und referenz2 verweisen auf dieselbe Instanz 1337. Anschließend erzeugen wir eine neue Instanz 2674 und weisen sie referenz1 zu. Die Ausgabe zeigt, dass referenz2 nach wie vor auf 1337 zeigt und nicht verändert wurde. Die Situation nach der dritten Zuweisung sieht also so aus:

Abbildung 7.3    Die beiden Referenzen sind voneinander unabhängig.

Sie wissen nun, dass Sie Referenzen als Verweise auf Instanzen von den Instanzen selbst unterscheiden müssen. Im Folgenden werden wir uns mit den Eigenschaften von Instanzen im Detail beschäftigen.

 

7.1    Die Struktur von Instanzen 

Jede Instanz in Python umfasst drei Merkmale: ihren Datentyp, ihren Wert und ihre Identität. Unser Eingangsbeispiel könnte man sich folgendermaßen dreigeteilt vorstellen:

Abbildung 7.4    Eine Instanz mit ihren drei Eigenschaften

 

7.1.1    Datentyp 

Der Datentyp dient bei der Erzeugung der Instanz als Bauplan und legt fest, welche Werte die Instanz annehmen darf. So erlaubt der Datentyp int beispielsweise das Speichern einer ganzen Zahl. Strings lassen sich mit dem Datentyp str verwalten. Im folgenden Beispiel sehen Sie, wie Sie die Datentypen verschiedener Instanzen mithilfe von type herausfinden können:

>>> type(1337) 
<class 'int'>
>>> type("Hallo Welt")
<class 'str'>
>>> v1 = 2674
>>> type(v1)
<class 'int'>

Die Funktion type ist unter anderem dann nützlich, wenn Sie überprüfen möchten, ob zwei Instanzen den gleichen Typ besitzen oder ob eine Instanz einen bestimmten Typ hat:

>>> v1 = 1337
>>> type(v1) == type(2674) 
True
>>> type(v1) == int
True
>>> type(v1) == str
False

Beachten Sie dabei jedoch, dass sich ein Typ nur auf Instanzen bezieht und nichts mit den verknüpften Referenzen zu tun hat. Eine Referenz hat keinen Typ und kann Instanzen beliebiger Typen referenzieren. Folgendes ist durchaus möglich:

>>> zuerst_ein_string = "Ich bin ein String" 
>>> type(zuerst_ein_string)
<class 'str'>
>>> zuerst_ein_string = 1789
>>> type(zuerst_ein_string) 
<class 'int'>

Es ist also falsch zu sagen: »zuerst_ein_string hat den Typ str.« Korrekt ist: »zuerst_ein_string referenziert momentan eine Instanz des Typs str.«

 

7.1.2    Wert 

Was den Wert einer Instanz konkret ausmacht, hängt von ihrem Typ ab. Dies können beispielsweise Zahlen, Zeichenketten oder Daten anderer Typen sein, die Sie später noch kennenlernen werden. In den oben genannten Beispielen waren es 1337, 2674, 1798, "Hallo Welt" und "Ich bin ein String".

Mit dem Operator == können Sie Instanzen bezüglich ihres Wertes vergleichen:

>>> v1 = 1337
>>> v2 = 1337
>>> v1 == v2
True
>>> v1 == 2674
False

Mithilfe unseres grafischen Modells lässt sich die Arbeitsweise des Operators == gut veranschaulichen:

Abbildung 7.5    Wertevergleich zweier Instanzen (in diesem Fall »False«)

Der Wertevergleich ist nur dann sinnvoll, wenn er sich auf strukturell ähnliche Datentypen bezieht – etwa Ganzzahlen und Gleitkommazahlen:

>>> gleitkommazahl = 1987.0
>>> type(gleitkommazahl) 
<class 'float'>
>>> ganzzahl = 1987
>>> type(ganzzahl) 
<class 'int'>
>>> gleitkommazahl == ganzzahl
True

Obwohl gleitkommazahl und ganzzahl verschiedene Typen haben, liefert der Vergleich mit == den Wahrheitswert True.

Zahlen und Zeichenketten haben strukturell wenig gemeinsam, da es sich bei Zahlen um einzelne Werte handelt, während bei Zeichenketten mehrere Buchstaben zu einer Einheit zusammengefasst werden. Aus diesem Grund liefert der Operator == für den Vergleich zwischen Strings und Zahlen immer False, auch wenn die Werte für einen Menschen »gleich« aussehen:

>>> string = "1234"
>>> string == 1234
False

Ob der Operator == für zwei bestimmte Typen definiert ist, hängt von den Datentypen selbst ab. Ist er nicht vorhanden, wird die Identität der Instanzen zum Vergleich herangezogen, was im folgenden Abschnitt erläutert wird.

 

7.1.3    Identität 

Die Identität einer Instanz dient dazu, sie von allen anderen Instanzen zu unterscheiden. Sie ist mit dem individuellen Fingerabdruck eines Menschen vergleichbar, da sie für jede Instanz programmweit eindeutig ist und sich nicht ändern kann. Eine Identität ist eine Ganzzahl und lässt sich mithilfe der Funktion id ermitteln:

>>> id(1337) 
134537016
>>> v1 = "Hallo Welt"
>>> id(v1) 
3082572528

Identitäten werden immer dann wichtig, wenn man prüfen möchte, ob es sich um eine ganz bestimmte Instanz handelt und nicht nur um eine mit dem gleichen Typ und Wert:

>>> v1 = [1,2,3]
>>> v2 = v1
>>> v3 = [1,2,3]
>>> type(v1) == type(v3) 
True
>>> v1 == v3
True
>>> id(v1) == id(v3) 
False
>>> id(v1) == id(v2) 
True

In diesem Beispiel hat Python zwei verschiedene Instanzen mit dem Typ list und dem Wert [1,2,3] angelegt, wobei v1 und v2 auf dieselbe Instanz verweisen. Abbildung 7.6 veranschaulicht dies grafisch.

Abbildung 7.6    Drei Referenzen, zwei Instanzen

Der Vergleich auf Identitätengleichheit hat in Python eine so große Bedeutung, dass für diesen Zweck ein eigener Operator definiert wurde: is.

Der Ausdruck id(referenz1) == id(referenz2) bedeutet das Gleiche wie referenz1 is referenz2. Dies kann man sich so vorstellen:

Abbildung 7.7    Identitätenvergleich zweier Instanzen

Der in Abbildung 7.7 gezeigte Vergleich ergibt den Wahrheitswert False, da sich die Identitäten der beiden Instanzen unterscheiden.