python和C++对比（1）_数据类型和数据结构

前言

• 这个系列的文章，以python为主，会从编程语言的四类知识范畴去总结对比python和C++。这部分文章共四篇，分别是：数据类型和数据结构、语法规则和执行流程、内存模型和运行机制、编程范式和语言特性，这篇文章是从数据类型和数据结构的角度对比两者的不同。
• 这部分总结，是通过总分的架构实现的，目的是展现两种编程语言的区别，对比着学习，理解他们之间的本质差异，加深记忆。
• 这个系列的每一篇文章，后面会继续修改，完善。
• python和C++本质不同：Python中万物皆对象，所有数据、变量本质都是对象引用，统一面向对象设计；C++兼顾原生值类型 + 对象类型，分为两套独立体系，并非一切都是对象。
• 数据类型和数据结构：将编程语言比喻成一个产品加工厂的话，数据类型和数据结构就是这个工厂生成时需要的原材料。
  • 数据类型：编程语言中对数据的分类定义，规定了一类数据的取值范围、存储形式以及可进行的合法操作，是构成程序数据的基础单元。
  • 数据结构：数据的组织、存储与排列方式，基于基础数据类型构建而成，用于高效地管理、访问和操作批量数据，核心是数据的布局逻辑与操作效率。

摘要

概念对比

一、自带数据类型：语言内核 / 编译器底层硬编码实现、无需引入任何库、无需自定义。声明后可直接使用的基础数据类型，是语言最底层的基础存储单元。

1.1、在python中的定义：

• python自带数据类型一共五类：int、float、bool、str、None
• int：内置基础类型；无限精度整数，不分长短整型，自动适配数值大小，二进制/八进制/十六进制均可表示。
• float：内置基础类型；64位双精度浮点数，存在浮点精度误差，支持科学计数法。
• bool：内置基础类型，int子类；仅True、False两个取值，True等价1，False等价0。
• str：内置序列类型；不可变字符序列，单/双/三引号定义，支持切片。不可变，不能增删改，仅可查询。
• None：内置基础类型；唯一值None，表示空对象，区别0、空字符串。

1.2、具体案例：

# -*- coding: utf-8 -*-# Python五大自带基础数据类型演示num_int=9999999999999999999999999999# int 无限大整数num_float=3.14e-2# float 科学计数浮点数flag_bool=True# bool布尔值text_str="hello python"# str字符串empty_none=None# None空对象# 打印值与对应类型print(num_int,type(num_int))# 9999999999999999999999999999 <class 'int'>print(num_float,type(num_float))# 0.0314 <class 'float'>print(flag_bool,type(flag_bool))# True <class 'bool'>print(text_str,type(text_str))# hello python <class 'str'>print(empty_none,type(empty_none))# None <class 'NoneType'># 补充特性演示print(True+5)# bool是int子类，True等价1 6print(text_str[0:3])# str切片读取，不可修改 helprint(None==0)# None不等于数字0 Falseprint(None=="")# None不等于空字符串 False

1.3、与C++对比：

• C++ 标准原生基础标量只有四类：整型、浮点型、布尔型、空类型void；
• Python 的 str 是原生基础类型；C++ 无原生字符串基础类型，对应能力由标准库 std::string 提供（属于衍生类型）
• C++的整型包含 char、short、int、long、long long 及对应无符号版本，固定位宽、存在数值溢出；Python int 为无限精度对象，无溢出限制，二者语义相似但底层实现完全不同。
• C++ 提供 float、double、long double 三种精度浮点；Python 仅一种浮点，底层等价 C++ double，缺少单精度与扩展长浮点。
• C++布尔型和python类似，仅有真 / 假两个取值，但底层模型不同。Python bool 是 int 子类；C++ bool 为独立原生类型，标准未强制规定字节大小，主流编译器实现为 1 字节。
• C++的空类型 void和Python的空类型None 完全不互通、含义不同。void 无法创建变量，仅作函数返回、万能指针修饰；Python None 是可赋值的空对象。

二、衍生数据类型：以自带数据类型为底层基础，通过不同衍生方法（语法原生衍生、标准库衍生、自定义衍生等），生成的复合、拓展型数据结构，无法脱离基础原生类型独立存在。

2.1、在python中的定义：

2.1.1、语法原生衍生（内置容器，无需导入）：

• 一共有四类分别是：list、tuple、dict、set
• 特点如下：

2.1.2、标准库衍生（内置模块拓展，需 import 引入）

• Python 官方标准库针对特定场景封装的专用数据结构，在功能、性能上做了定向优化，底层仍完全基于基础类型实现。
• 代表类型：collections 系列（deque、OrderedDict、defaultdict、namedtuple）、array.array（同类型数值数组）、队列 queue、字节序列 bytes/bytearray 等

2.1.3、用户自定义衍生

• 开发者可自由组合基础类型与已有衍生类型，封装属性与方法，实现业务定制化的数据结构与行为逻辑，本质是对原生类型体系的进一步抽象封装。
• 例如：通过 class 关键字定义的自定义类与实例对象

2.2、具体案例：

# -*- coding: ANSI -*-# ========== 1. 列表 list ==========# 特性：支持混合类型、允许重复元素、有序、可变my_list=[1,"hello",3.14,1,"hello"]# 混合类型 + 重复元素my_list[0]=999# 可变：可修改元素print("列表:",my_list)# 列表: [999, 'hello', 3.14, 1, 'hello']print("列表有序，支持索引访问第2个元素:",my_list[1])# 列表有序，支持索引访问第2个元素: helloprint("-"*30)# ========== 2. 元组 tuple ==========# 特性：支持混合类型、允许重复元素、有序、不可变my_tuple=(1,"world",2.718,1,"world")# 混合类型 + 重复元素# my_tuple[0] = 999 # 不可变：取消注释运行会报错 TypeErrorprint("元组:",my_tuple)# 元组: (1, 'world', 2.718, 1, 'world')print("元组有序，支持索引访问第2个元素:",my_tuple[1])# 元组有序，支持索引访问第2个元素: worldprint("-"*30)# ========== 3. 集合 set ==========# 特性：元素需可哈希、自动去重、无序、可变my_set={1,"python",3.14,1,"python"}# 重复元素会被自动去重# print(my_set[0]) # 无序：不支持下标索引，取消注释运行会报错print("集合（自动去重）:",my_set)# 集合（自动去重）: {1, 3.14, 'python'}print("-"*30)# ========== 4. 字典 dict ==========# 特性：键唯一不可重复、值可混合类型、3.7+按插入顺序有序、可变my_dict={"name":"张三","age":25,"age":30}# 重复键会覆盖旧值print("字典:",my_dict)# 字典: {'name': '张三', 'age': 30}print("字典通过键访问值:",my_dict["name"])# 字典通过键访问值: 张三

2.3、与C++对比：

2.3.1、C++语法原生衍生（纯语法构造，无需引入标准库）

• 一共有六类分别是：原生数组、指针、引用、结构体 struct、枚举 enum、联合体 union
• 和python的不同点在于：底层构造逻辑完全不同；
  • python中原生衍生类，本身就是完整的功能对象，自带大量成员方法（如append、keys），容器内可混合存放任意类型的数据，元素类型无强制约束，长度动态可变，内存由解释器自动管理，本质是引用语义；
  • C++ 原生语法的 struct 常用于数据聚合，默认成员公开（C++中Class默认成员私有），其他方面与 class 语义能力一致。

2.3.2、标准库衍生（STL 标准库提供，需包含对应头文件）

• C++ 标准模板库（STL）通过模板泛型机制封装的通用容器与工具类型；
• 代表类型：std::string、std::vector、std::map、std::unordered_map、std::set、std::deque、std::list、智能指针等
• 和python的不同点在于：两者都是通过内置模块或者内置标准库引入，python中是动态对象，C++实例化必须显示指定元素类型，还有就是内存管理模式不同。

2.3.3、用户自定义衍生

• 开发者可基于原生基础类型、语法衍生类型、标准库类型进行封装，自定义成员变量、成员函数与访问控制，实现面向对象的自定义数据结构与业务逻辑。
• 代表形式：自定义 class 类、模板类、继承派生类
• 和python的不同点在于：两者都是面向对象的实现模式，但具体实现方式不同。python是动态类型，C++是静态类型。C++中语义丰富，python中都是引用语义。

2.4、补充

2.4.1、语法和语义：语法就是编程语言规定的合法书写规则，语义是代码所表达的含义、执行时的行为规则，以及最终产生的效果。

• 最典型的例子就是赋值语句 a = b：
  在 C++ 里，默认是「把 b 的值拷贝一份给 a」；
  在 Python 里，是「让 a 和 b 指向同一个对象」；
  写法语法几乎一致，但底层行为完全不同，这就是语义不同。
• 值语义： 变量直接存储数据本身，赋值、传参时会拷贝一份完整的新数据；两个变量相互独立，修改其中一个不会影响另一个。
• 引用语义：变量存储的是数据的地址 / 引用，赋值、传参时只拷贝地址，两个变量指向同一份真实数据；通过其中一个修改数据，另一个也会同步变化。

2.4.2、深拷贝和浅拷贝：两者都是针对包含嵌套子对象的复合对象（比如列表套列表、字典套列表）的复制行为，核心区别只在于：嵌套的内层对象有没有被一起独立复制。

• 浅拷贝（Shallow Copy）只复制对象的最外层结构，内层嵌套的子对象仍然共享同一份内存引用。修改内层数据，原对象和拷贝对象会同步变化。
• 深拷贝（Deep Copy）：递归复制对象的所有层级，从外到内每一层子对象都会创建全新的独立副本。两边完全独立，修改任何一层都互不影响。
• Python 所有变量存的都是对象的引用（内存地址），复制一个容器（比如 list）时：默认的浅拷贝，只是把容器里的地址列表复制了一遍；所以修改内层子对象时，两边都会同步变化。Python 官方标准库 copy 模块提供了 deepcopy() 函数，专门做递归深拷贝。它会自动遍历对象的所有嵌套层级，遇到可变对象就创建新副本，最终得到一个完全独立的新对象。Python 深浅拷贝是运行时的通用行为，由标准库统一处理，不需要开发者自己手写拷贝逻辑。
• C++ 默认值语义下，普通对象拷贝会调用默认拷贝构造函数，本质是逐成员拷贝（类似浅拷贝）；如果类内有指针成员指向堆内存，默认拷贝会出现双重释放问题，C++需要手动重写拷贝构造函数实现深拷贝。

三、数据类型特性：两种语言中造成数据类型和数据结构差异最本质的原因

3.1、在python中的定义：

• Python：动态强类型，Python 仅在数值体系内部（int/float/bool）做隐式提升，字符串与数字、列表与数字等跨类型运算会直接报错，拒绝隐式转换，因此属于强类型；
• Python 遵循万物皆对象，所有变量本质都是对象的引用，全程只有引用语义，没有原生的值语义。像 int、str 这些不可变类型，看起来 “改一个不影响另一个”，很像值语义，但本质还是引用语义，不是拷贝了值，而是对象本身不可修改，一旦 “修改” 就会生成一个全新的对象，变量重新指向新对象，原对象不受影响。
• Python 中动态类型 + 统一引用存储路线，天然兼容异构元素；

3.2、具体案例：

# 运行时确定类型：a=10print(type(a))# <class 'int'>，此时是整型a="hello"print(type(a))# <class 'str'>，运行中直接变成字符串a=[1,2,3]print(type(a))# <class 'list'>，又变成列表# 自动隐式类型转换：# int + float → 自动转floatres=5+2.5print(res,type(res))# 7.5 <class 'float'># bool本质是int子类，True=1、False=0，可直接和数字运算print(True+3)# 4print(False*10)# 0# python中只有引用语义：a=10b=a a=20# 不是修改原对象，是让 a 指向了新的 int 对象 20print(b)# b 还是指向原来的 10，所以不变

3.3、与C++对比：

• C++：静态强类型，编译期固定类型，强制显式转换。
• C++：语义丰富，多套规则并存，C++ 之所以说语义丰富，是因为它同时支持多套不同的语义规则，开发者可以按需选择，不同语义对应不同的内存行为和性能表现。核心包含四类语义：
  • 值语义：普通栈变量、结构体、类对象的默认行为，赋值 / 传参全量拷贝，数据独立。
  • 引用语义（& 引用）：给已有变量起别名，不拷贝数据，绑定后不能改指向，常用于函数传参避免拷贝。
  • 指针语义：变量存内存地址，可空、可随时修改指向，支持指针运算，是 C++ 底层内存操作的核心。
  • 移动语义（C++11 新增）：通过 std::move 转移资源所有权，不拷贝数据，专门用于大对象高效传递。
  • 除此之外还有左值、右值、右值引用等细分语义，对应不同的编译期规则和优化场景。
• C++ 中静态强类型 + 值语义连续存储路线，编译期必须确定元素类型与大小，因此不天然支持混合类型。
• 示例代码

#include<iostream>usingnamespacestd;intmain(){intnum=10;num="hello";// 编译直接报错，int不能存字符串string s="123";intx=4;interr=s+x;// 编译报错，string和int不能直接相加// 必须手动显式转换才能处理intnum1=stoi(s);intans=num1+x;cout<<ans<<endl;return0;}