“is”运算符在处理浮点数时表现出意外行为

Question

在单元测试一个模块时，我遇到了一个令人困惑的问题。该模块实际上正在进行数值转换，而我想比较这些值。

使用==和is进行比较存在区别（在某种程度上，我知道它们之间的差异）。

>>> 0.0 is 0.0
True   # as expected
>>> float(0.0) is 0.0
True   # as expected

到目前为止，一切都如预期，但这里是我的“问题”：

>>> float(0) is 0.0
False
>>> float(0) is float(0)
False

为什么？至少最后一个对我来说真的很令人困惑。float(0)和float(0.0)的内部表示应该是相等的。使用==进行比较正常工作。

- Günther Jena

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相关：https://dev59.com/ZHVC5IYBdhLWcg3w-WOs - Elazar

你的问题值得回答，但如果你在实际代码中遇到了这个问题，那么代码很可能是错误的，应该进行修复。在这种情况下，几乎没有理由测试浮点数之间的引用标识。 - Elazar

奇怪的是，尽管我可以重现这个问题，但 id(0.0)、id(float(0.0)) 和 id(float(0)) 的值都相同。也就是说，如果我在交互式 shell 中依次执行它们，那么它们的值是相同的，但是如果我将它们作为元组执行 id(float(0.0)), id(float(0))，那么它们的 ID 就不同了。有什么解释吗？ - tobias_k

@Elazar：感谢您添加cpython标签，因为它似乎与cpython相关，而且您已经提到了它不应该依赖于任何东西。 - Günther Jena

两个原因：代码中的不可变字面量被存储为与代码对象一起的常量（因此0.0是0.0只产生一个被重用的对象），Python 重用内存（因此id(0.0)后跟另一个id(someobject)可能会产生相同的 id，因为之前的已被垃圾回收），而生成元组无法重用内存位置，因为您仍然需要所有对象都成为该元组的一部分。 - Martijn Pieters

Answer 1

这与is的工作方式有关。它检查引用而不是值。如果任一参数被分配给相同的对象，则返回True。

在这种情况下，它们是不同的实例；float(0)和float(0)具有相同的值==，但在Python中看来是不同的实体。CPython实现还将整数缓存为单例对象，在此范围内-> [x | x ∈ ℤ ∧ -5 ≤ x ≤ 256 ]：

>>> 0.0 is 0.0
True
>>> float(0) is float(0)  # Not the same reference, unique instances.
False

在这个例子中，我们可以演示整数缓存原理：

>>> a = 256
>>> b = 256
>>> a is b
True
>>> a = 257
>>> b = 257
>>> a is b
False

现在，如果浮点数被传递给 float()，那么浮点数字面值将直接返回（短路），因为使用相同的引用，不需要从现有的浮点数实例化一个新的浮点数：

>>> 0.0 is 0.0
True
>>> float(0.0) is float(0.0)
True

通过使用int()，这一点可以进一步证明：

>>> int(256.0) is int(256.0)  # Same reference, cached.
True
>>> int(257.0) is int(257.0)  # Different references are returned, not cached.
False
>>> 257 is 257  # Same reference.
True
>>> 257.0 is 257.0  # Same reference. As @Martijn Pieters pointed out.
True

然而，is 的结果也取决于它所执行的作用域（超出了本问题/解释的范围），请参考用户：@Jim在代码对象方面的精彩解释。甚至Python文档中也包括了这种行为的一节：

• 5.9比较

[7] 由于自动垃圾收集、空闲列表和描述符的动态性质，您可能会注意到在某些使用is操作符的情况下出现看似不寻常的行为，例如涉及实例方法或常量之间的比较。检查它们的文档以获取更多信息。

- ospahiu

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float(17.0) is float(17.0) 返回 True，但是 float(17.0) is float('17.0') 返回 False -> float(some_value) 只是返回原始的浮点数，因此不会创建新的实例（如果 some_value 是浮点数的情况下）？ - Günther Jena

@Jim 回答了这个问题。 - Günther Jena

CPython不会缓存浮点数。您看到的是常量折叠和“float”构造函数直接通过的情况下，is给出True的组合。 - user2357112

CPython实现在区间[x >= -5 | x <= 256]中也将整数/浮点数缓存为单例对象。不，只有'int'对象被内部化。这里发生的是字面值被存储为代码对象的常量，而在同一代码对象常量数组中存储两个'0.0'值是没有意义的。 - Martijn Pieters

尝试执行 compile('0.0 is 0.0', '', 'exec').co_consts；你会发现只有一个 0.0 对象和一个 None。 - Martijn Pieters

@user2357112 是的，你说得对，我已经相应地更新了我的答案。 - ospahiu

Answer 2

如果向float()提供了一个float对象，CPython*只会返回它而不会创建新的对象。

这可以在PyNumber_Float（最终从float_new调用）中看到，其中传入的对象o通过PyFloat_CheckExact进行检查；如果为True，则只增加其引用计数并返回它。

if (PyFloat_CheckExact(o)) {
    Py_INCREF(o);
    return o;
}

因此，对象的id保持不变。因此，表达式

>>> float(0.0) is float(0.0) 

简化为：

>>> 0.0 is 0.0

但是为什么会等于True呢？嗯，CPython有一些小优化。

在这种情况下，它使用相同的对象来处理你命令中出现的两个0.0，因为它们是同一个code对象的一部分（简短的免责声明：它们在同一行逻辑上）；因此，is测试将成功。

如果你在不同的行上执行float(0.0)（或者用;分隔），然后检查身份，这可以进一步证实：

a = float(0.0); b = float(0.0) # Python compiles these separately
a is b # False 

另一方面，如果提供了一个整数（或字符串），CPython 将从中创建一个新的浮点数对象并返回。为此，它分别使用 PyFloat_FromDouble 和 PyFloat_FromString。返回的对象的 id 不同（用于使用 is 检查身份）。

# Python uses the same object representing 0 to the calls to float
# but float returns new float objects when supplied with ints
# Thereby, the result will be False
float(0) is float(0) 

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*注意：所有先前提到的行为适用于Python在C中的实现，即CPython。其他实现可能表现出不同的行为。简而言之，不要依赖它。

- Dimitris Fasarakis Hilliard

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谢谢您提供详细答案，虽然我会接受mrdomoboto的答案是正确的（我讨厌做出这种难决定...） - Günther Jena

我将你关于代码对象的部分作为脚注添加了进去（顺便说一句，解释得非常好！）。 - ospahiu