Pythonの関数の引数は参照渡しなのか？参照の値渡し

多くの言語の関数やメソッドの引数は、値渡し、参照渡し、参照の値渡しの３種類に分類される。この記事では、引数の3種類を改めて整理しPythonにおける引数が参照の値渡しであることを説明する。

引数について

関数やメソッドにおいて実行時に使用される変数や値のことを引数と呼ぶ。次のadd_numbers関数では、xおよびyが引数である。

def add_numbers(x, y):
    return x + y

値渡し、参照渡し、参照の値渡し

値渡しでは、引数に値を変数にコピーして渡す。完全にコピーしたものを渡すので、呼び出し側は影響を受けない。単純でわかりやすいが、この方法はオブジェクトや構造体のように大きい値の場合大量のメモリを消費してしまう。

参照渡しでは、引数に値ではなく値が格納されているキー（メモリアドレスや固有のidなど）を渡す。呼び出し側と同じ変数を操作することになるので、書き換え操作を行うと呼び出し元の値も影響を受ける。この方法では、キーだけを直接渡すのでメモリ消費がない。（実際のメモリ消費量は実装による。）

参照の値渡しでは、引数に値のキーを変数にコピーして渡す。参照渡しと同じように書き換え操作を行うと呼び出し元の変数も影響を受ける。しかし、引数は変数なので別の値のキーを上書きすることができる。キーをコピーした変数分だけメモリを消費する。

違いを次のように整理する。

	呼び出し元の値の書き換え	引数の保存場所	メモリ消費
値渡し	できない	関数内に新規に値をコピー	大（値と同じ）
参照渡し	できる	呼び出し元と同一	なし（実装による）
参照の値渡し	できる	関数内に新規にキーをコピー	小（キーを保存する分）

C言語では値渡しのみしか存在せず、参照の値渡しをポインタ型変数の値渡しとして実現した。この影響かもしれないが、参照の値渡しのことを参照渡しと呼ぶこともある。だが、C言語より後に開発されたC++言語等では参照渡しが別途設定されていることもあるので区別したほうが良い。Pythonでは参照の値渡しのみを採用しているが、あたかも値渡しのように振舞うことがある。次節からはそれらのことについて述べる。

Pythonの引数

まず、参照の値渡しであることを示す。Pythonではすべての変数がオブジェクトである。値のまま関数に渡すのはメモリ効率が悪いので、すべての引き数に対して参照の値渡しを行っている。具体的なコードを示す。id関数はオブジェクトのキーとなる値を返す組み込み関数である。

def add_one(in_list):
    print (f'in: {id(in_list)}')
    in_list.append(1)
    
out_list = [1, 2, 3]
print (f'out: {id(out_list)}')
print(out_list)
add_one(out_list)
print (f'out: {id(out_list)}')
print(out_list)

実行結果

out: 139862611002496
[1, 2, 3]
in: 139862611002496
out: 139862611002496
[1, 2, 3, 1]

全てのオブジェクトのIDが同一で、add_one関数の呼び出し後に元のオブジェクトが変化して、[1, 2, 3, 1]になったことがわかる。これは参照渡しもしくは参照の値渡しの動作である。

このコードを少し書き換える。

def add_one(in_list):
    print (f'in: {id(in_list)}')
    in_list=[4,5,6]
    print ('in_list=[4,5,6]')
    print (f'in: {id(in_list)}')
    print(in_list)

    
out_list = [1, 2, 3]
print (f'out: {id(out_list)}')
print(out_list)
add_one(out_list)
print (f'out: {id(out_list)}')
print(out_list)

実行結果

out: 140347445396544
[1, 2, 3]
in: 140347445396544
in_list=[4,5,6]
in: 140347443969664
[4, 5, 6]
out: 140347445396544
[1, 2, 3]

関数内のin_list=[4,5,6]でin_listを代入する。Pythonでは代入は新しいオブジェクトを生成する。これによりin_listのidがin: 140347443969664に変化している。しかし、関数を終了し呼び出し元に戻ってくると、out: 140347445396544に戻る。これは参照の値渡しの動作である。

イミュータブルとミュータブル

イミュータブルとは書き込みができないオブジェクトのことで、通常の書き込みができるオブジェクトのことをミュータブルと呼ぶ。Pythonではイミュータブルなオブジェクトを引数で渡したとき、参照の値渡しではなく値渡しのように振舞うと思うかもしれない。イミュータブルなオブジェクトであるcomplexの例を見ていこう。

def update_complex(z):
    print(f"in1)id of z:{id(z)}")
    print(z);
    z += 1j
    print("z += 1j")
    print(f"in2)id of z:{id(z)}")
    print(z);

a = complex(1, 2)
print(f"out1)id of a:{id(a)}")
print(a)
update_complex(a)
print(f"out2)id of a:{id(a)}")
print(a)

結果

out1)id of a:140567753204272
(1+2j)
in1)id of z:140567753204272
(1+2j)
z += 1j
in2)id of z:140567753206352
(1+3j)
out2)id of a:140567753204272
(1+2j)

関数の呼び出し前と後で値は変わっていない。これは値渡しの性質である。一方、関数内では、z += 1jの実行前後で、オブジェクトのキーとなるidの値が変わっている事にお気づきだろうか。イミュータブルなオブジェクトに変更操作が行われると、コピーしたオブジェクトを生成しそのオブジェクトに変更操作を行う。これは一見すると値渡しの振舞に近い。しかし、実のところ+=演算子が、加算した新しいオブジェクトを生成しているにすぎない。

>>> a = complex(1, 2)
>>> id(a)
140708241902576
>>> a += 1j
>>> id(a)
140708241902864

イミュターブルであっても書き込みができる場合がある。それはオブジェクトに含まれるオブジェクトまでは影響を及ぼさないからだ。tupleの例をあげる。

def update_tuple(in_tuple):
    print (f'in: {id(in_tuple)}')
    in_tuple[0]['name']='alice'
    print ("in_tuple[0]['name']='alice'")
    print (f'in: {id(in_tuple)}')
    print(in_tuple)

out_tuple = ({'name': 'mike'},'hello')
print (f'out: {id(out_tuple)}')
print(out_tuple)
update_tuple(out_tuple)
print (f'out: {id(out_tuple)}')
print(out_tuple)

結果

out: 140594714782464
({'name': 'mike'}, 'hello')
in: 140594714782464
in_tuple[0]['name']='alice'
in: 140594714782464
({'name': 'alice'}, 'hello')
out: 140594714782464
({'name': 'alice'}, 'hello'

呼び出し元のout_tupleが書き換わっており、idも変わらないのでミュータブルのように見えるが、tuple型はイミュータブルであり、破壊的な関数は用意されていない。

Python公式サイトの注意

これまでPythonにおいてイミュターブルとミュータブルの違いが重要であることを説明した。公式ドキュメントにも記載があるが、わかりにくい表記も見られる。公式サイトでイミュターブルとミュータブルかを確認する上での注意点を述べる。

date型の説明へのリンクを次に示す。https://docs.python.org/ja/3/library/datetime.html#datetime.date

date型はイミュータブルであるが、このリンクから読み進めると記載されておらず見すごす。datetime型の説明の途中に記述がある。

これらの型のオブジェクトは変更不可能 (immutable) です。

検索して必要な型だけ確認する際には注意が必要である。

まとめ

Pythonの関数の引き数はすべて参照の値渡しである。イミュータブルなオブジェクトの場合、値渡しのように見える場合もあるが実際は演算子や関数によって複製されている。イミュータブルなオブジェクトの書き込みができない性質は、含まれるオブジェクトまでは考慮されない。