»For every complex problem there is an answer that is clear, simple, and wrong.« – H. L. Mencken
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, Mengen 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
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 aus der Kategorie der Ganzzahlen.
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 die Referenzen ins Spiel. »Referenz« bedeutet so viel wie »Verweis«. Erst durch Referenzen wird es möglich, mit den Instanzen zu arbeiten, weil Referenzen uns den Zugriff auf diese ermöglichen. Die einfachste Form einer Referenz in Python ist ein symbolischer Name wie im obigen Beispiel a. Mit dem Zuweisungsoperator = kann man eine Referenz auf eine Instanz erzeugen, wobei die Referenz links und die Instanz rechts vom Operator stehen.
Damit können wir unser Beispiel wie folgt beschreiben: Wir erzeugen eine neue Instanz einer Ganzzahl mit dem Wert 1337. Außerdem legen wir eine Referenz variable 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 hierbei, 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 untereinander 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.
Da Sie nun wissen, was Referenzen und Instanzen sind und wie sie im Programm verwendet werden, beschäftigen wir uns nun mit den Eigenschaften von Instanzen im Detail.
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
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 wird gezeigt, wie sich die Datentypen verschiedener Instanzen mithilfe von type herausfinden lassen: [Bei type handelt es sich um eine sogenannte Funktion. Was genau das bedeutet, ist an dieser Stelle noch nicht wichtig. Wir werden uns in Kapitel 10 eingehend mit Funktionen beschäftigen und dort auch auf type zurückkommen. ]
>>> type(1337)
<type 'int'>
>>> type("Hallo Welt")
<type 'str'>
>>> v1 = 2674
>>> type(v1)
<type 'int'>Die Funktion type ist unter anderem dann nützlich, wenn wir überprüfen wollen, 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
Hierbei ist zu beachten, dass sich ein Typ nur auf Instanzen bezieht und rein gar 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) <type 'str'> >>> zuerst_ein_string = 1789 >>> type(zuerst_ein_string) <type '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«.
Wert
Was den Wert der 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 obigen Beispielen waren es 1337, 2674, 1798, "Hallo Welt" und "Ich bin ein String".
Mit dem Operator == kann man Instanzen bezüglich ihres Wertes vergleichen:
>>> v1 = 1337 >>> v2 = 1337 >>> v1 == v2 True >>> v1 == 2674 False
Mithilfe unseres grafischen Modells kann man 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, wie zum Beispiel Ganzzahlen und Gleitkommazahlen:
>>> gleitkommazahl = 1987.0 >>> type(gleitkommazahl) <type 'float'> >>> ganzzahl = 1987 >>> type(ganzzahl) <type '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 Indentität der Instanzen zum Vergleich herangezogen, was im folgenden Absatz erläutert wird.
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 = "Hallo Welt" >>> v2 = v1 >>> v3 = "Hallo Welt" >>> type(v1) == type(v3) True >>> v1 == v3 True >>> id(v1) == id(v3) False >>> id(v1) == id(v2) True
Abbildung 7.6 Drei Referenzen, zwei Instanzen
In diesem Beispiel hat Python zwei verschiedene Instanzen mit dem Typ str und dem Wert "Hallo Welt" angelegt, wobei v1 und v2 auf dieselbe Instanz verweisen. Grafisch veranschaulicht bedeutet dies Folgendes (siehe Abbildung 7.6).
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 würde den Wahrheitswert False ergeben, da sich die Identitäten der beiden Instanzen unterscheiden.
