Урок курса

View и copy: предсказание влияния изменений среза на исходный массив

NumPy и pandas: практический тренажёр

Срезы в NumPy вы уже использовали — синтаксис start:stop:step знаком с урока по индексации. Но за этим синтаксисом скрывается поведение, которое легко упустить: срез не копирует данные, а возвращает другой «взгляд» на те же байты в памяти. Именно это поведение определяет, что произойдёт с исходным массивом, если вы изменили срез — и этому посвящён весь урок.

View и copy: два режима доступа к памяти ndarray

Когда вы пишете v = a[1:4], NumPy не выделяет новый кусок памяти под три элемента. Вместо этого v — это отдельный объект ndarray, который знает: «мои данные начинаются вот здесь в памяти, шаг такой-то, длина такая-то». Байты, в которых хранятся числа, общие — и у a, и у v. Такой объект называется view (представление).

Последствие прямое: если вы изменяете элемент через v, вы фактически обращаетесь к тем же байтам в памяти, на которые смотрит a. Никакой «защиты» нет — это не баг, а намеренное поведение NumPy ради экономии памяти и скорости.

import numpy as np

a = np.array([10, 20, 30, 40, 50])
v = a[1:4]   # view: элементы 20, 30, 40

v[0] = 99    # меняем первый элемент view
print(a)     # [10 99 30 40 50] — исходный тоже изменился

Это и есть view в действии: v[0] и a[1] — один и тот же элемент в общей области памяти.

Если вам нужна независимая копия — объект, который хранит те же значения, но в отдельном куске памяти — нужно явно попросить об этом:

a2 = np.array([10, 20, 30, 40, 50])
c = a2[1:4].copy()   # независимая копия

c[0] = 99
print(a2)   # [10 20 30 40 50] — исходный не тронут

Метод .copy() выделяет новое хранилище и переписывает туда значения. После этого c и a2 ничего не знают друг о друге на уровне памяти.

Разница между view и copy — не в значениях (при создании они одинаковы), а в том, где эти значения живут. View смотрит в чужую память, copy владеет своей. Это разграничение и определяет всё поведение, которое мы разберём дальше.

Проверка общей памяти через np.shares_memory

Понять концептуально, что view разделяет память с оригиналом, — хорошо. Но когда нужно убедиться в этом программно, есть конкретный инструмент: np.shares_memory(a, b).

Функция возвращает True, если массивы a и b делят хотя бы один общий байт памяти. Если их данные полностью независимы — вернёт False. Никакого анализа значений, никаких сравнений элементов — только проверка адресов.

import numpy as np

a = np.array([10, 20, 30, 40, 50])

# Срез — view: данные общие
v = a[1:4]
print(np.shares_memory(a, v))   # True

Теперь создадим копию через .copy() и проверим то же самое:

c = a[1:4].copy()
print(np.shares_memory(a, c))   # False

.copy() запрашивает у NumPy новый кусок памяти и копирует туда значения. После этого c — полностью самостоятельный объект. Связи с a на уровне байтов нет, и np.shares_memory это честно подтверждает.

Важный момент: .copy() можно вызывать как на срезе, так и на целом массиве. Оба варианта дают одинаковый результат — независимое хранилище:

full_copy = a.copy()
print(np.shares_memory(a, full_copy))   # False

np.shares_memory стоит использовать как основной инструмент всякий раз, когда есть сомнение: «это view или копия?». Сравнение значений здесь не поможет — при создании view и copy содержат одинаковые числа, разница только в том, где они хранятся.

Предсказание и наблюдение мутации через view и copy

Алгоритм предсказания сводится к трём шагам:

  1. Определить, как получен объект. Срез start:stop:step — view. Вызов .copy() — независимое хранилище.
  2. Если view — любая запись в него затрагивает исходный массив в соответствующих позициях.
  3. Если копия — исходный массив не изменится ни при каких мутациях копии.

Чтобы алгоритм был реально применим, нужно уметь заранее называть конкретные индексы, которые изменятся. Разберём это на примере с шаговым срезом и двумерным массивом — они чуть менее очевидны, чем простой a[1:4].

Шаговый срез: предсказываем затронутые индексы

import numpy as np

a = np.array([0, 10, 20, 30, 40, 50, 60])
v = a[1:7:2]   # элементы с индексами 1, 3, 5 → значения 10, 30, 50

# Предсказание:
# v[0] → a[1], v[1] → a[3], v[2] → a[5]
# Меняем v[1] = 99 → ожидаем a[3] == 99, остальные не трогаем
v[1] = 99
print(a)   # [ 0 10 20 99 40 50 60]

Прежде чем запустить код, стоит явно выписать соответствие: v[k] отображается на a[start + k * step]. Здесь start=1, step=2, поэтому v[1] → a[1 + 1*2] = a[3]. Предсказание подтверждается наблюдением.

Теперь мутация в обратную сторону — из исходного массива в view:

a[5] = 777   # a[5] входит в срез v как v[2]
print(v)     # [ 10  99 777]

Общая область памяти работает в обе стороны: запись через a видна в v точно так же, как запись через v видна в a.

Двумерный массив: срез строк — тоже view

m = np.array([[1, 2, 3],
              [4, 5, 6],
              [7, 8, 9]])

rows = m[0:2]   # первые две строки — view

# Предсказание: rows[1, 2] → m[1, 2]
# Меняем rows[1, 2] = 99 → ожидаем m[1, 2] == 99
rows[1, 2] = 99
print(m)
# [[1 2 3]
#  [4 5 99]
#  [7 8 9]]

Прямоугольный срез по строкам (синтаксис start:stop без fancy indexing) возвращает view — это тот же принцип, что и для одномерного случая.

Когда нужна изоляция: копия блокирует мутацию

m2 = np.array([[1, 2, 3],
               [4, 5, 6],
               [7, 8, 9]])

rows_copy = m2[0:2].copy()
rows_copy[1, 2] = 99   # меняем копию
print(m2)
# [[1 2 3]
#  [4 5 6]   ← не изменилось
#  [7 8 9]]

Если вы не уверены, является ли объект view или копией — проверьте np.shares_memory до того, как что-то менять. Это особенно важно, когда объект передан в функцию и вы не контролируете, как он был создан.

Атрибут .base: иллюстрация владения памятью и его ограничения

Каждый ndarray хранит атрибут .base. Если массив владеет своими данными сам — .base равен None. Если массив смотрит в чужую память (то есть является view) — .base указывает на объект, которому эта память принадлежит.

В простом случае это выглядит понятно:

import numpy as np

a = np.array([10, 20, 30, 40, 50])
v = a[0:3]          # view от a

print(v.base is a)  # True — v смотрит в память a

c = a.copy()
print(c.base is None)  # True — c владеет своими данными

Для этих двух случаев .base читается легко и интуитивно. На этом его удобство заканчивается.

Проблема возникает в цепочках. Если вы берёте срез от среза, .base у конечного объекта будет указывать не на ближайшего «родителя», а на того, кто реально владеет памятью — то есть на исходный массив или даже на какой-то промежуточный объект, в зависимости от внутреннего устройства NumPy:

a = np.array([10, 20, 30, 40, 50])
v1 = a[1:5]     # view от a
v2 = v1[0:2]    # view от v1 — но чья память?

print(v2.base is v1)  # может быть False
print(v2.base is a)   # может быть True

Здесь v2.base is v1 может дать False, потому что NumPy «пробрасывает» .base к реальному владельцу данных, минуя промежуточные объекты. Если вы рассчитываете на v2.base is v1 и получаете False, это не значит, что v2 — копия. Просто .base работает не так, как вы ожидаете.

Ещё одна ловушка: .base отвечает на вопрос «кто владеет памятью», но не на вопрос «разделяют ли вот эти два конкретных объекта память». Если у вас есть x и y, и вы хотите знать, связаны ли они, проверка x.base is y или y.base is x не гарантирует правильного ответа во всех сценариях.

Для этого есть np.shares_memory(x, y) — он отвечает именно на этот вопрос, без допущений о структуре цепочки.

.base полезен как быстрая иллюстрация: увидеть, что view ссылается на чужую память, а копия — нет. Но принимать на его основе решения в коде не стоит. Если нужна надёжная проверка — np.shares_memory.

Задача 1

Дан массив a = np.array([1, 2, 3, 4, 5]). Выполнены команды:
v = a[1:3]
v[0] = 99
Чему равен a[1] после этих операций?

Выберите один вариант
Без регистрации · результат не сохраняется

Задача 2

Дан код:
import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
c = a.copy()
c[0] = 99
Чему равен a[0] после выполнения этих строк?

Выберите один вариант
Без регистрации · результат не сохраняется

Задача 3

View vs copy: предсказание и проверка мутации через shares_memory

Что уже дано

Проверяющая система запускает вашу программу и подаёт данные через stdin. Никаких заранее созданных переменных нет — вы читаете всё сами.

Что нужно сделать

Напишите программу, которая демонстрирует разницу между view и copy на одном массиве:

  1. Читает из stdin одну строку с целыми числами через пробел. Создаёт одномерный массив original через np.array(..., dtype=int).
  2. Читает вторую строку с двумя целыми числами start и stop — границы среза.
  3. Читает третью строку с двумя целыми числами idx и val — позиция и новое значение для мутации.
  4. Получает view v = original[start:stop] и копию c = original[start:stop].copy().
  5. Выводит строку shares_view=<bool> — результат np.shares_memory(original, v).
  6. Выводит строку shares_copy=<bool> — результат np.shares_memory(original, c).
  7. Выполняет v[idx] = val. Выводит строку original_after_view=<значения через пробел> — текущие значения original.
  8. Выполняет c[idx] = val. Выводит строку original_after_copy=<значения через пробел> — текущие значения original.

Ввод и вывод

Программа читает stdin и пишет в stdout.

Формат ввода

<n целых чисел через пробел> # элементы original
<start> <stop> # границы среза
<idx> <val> # позиция и значение для мутации

Гарантируется: 0 <= start < stop <= len(original), 0 <= idx < stop - start.

Формат вывода

shares_view=<True|False>
shares_copy=<True|False>
original_after_view=<значения через пробел>
original_after_copy=<значения через пробел>
РешениеPython

Без регистрации. Гостевая проверка не сохраняет прогресс. Для сохранения перейдите к уроку.

Отправьте решение, чтобы увидеть результаты тестов.

Задача 4

View и copy на столбцовом срезе двумерного массива: изоляция мутации

Что уже дано

Проверяющая система запускает вашу программу и подаёт данные через stdin. Никаких заранее созданных переменных нет — вы читаете всё сами.

Что нужно сделать

Напишите программу, которая демонстрирует разницу между view и copy на двумерном массиве:

  1. Читает из stdin два целых числа R и C — число строк и столбцов.
  2. Читает следующие R строк; каждая содержит ровно C целых чисел через пробел. Создаёт двумерный массив M через np.array(..., dtype=int) формы (R, C).
  3. Читает одну строку с двумя целыми числами r0 и r1 — границы среза строк.
  4. Читает одну строку с двумя целыми числами mrow и mcol — позиция для мутации внутри среза (индексы относительно среза).
  5. Читает одно целое число val — новое значение.
  6. Получает view vw = M[r0:r1, :] и копию cp = M[r0:r1, :].copy().
  7. Выводит строку shares_vw=<True|False> — результат np.shares_memory(M, vw).
  8. Выводит строку shares_cp=<True|False> — результат np.shares_memory(M, cp).
  9. Выполняет vw[mrow, mcol] = val. Выводит строку M_after_vw=<строки M через ; каждая строка — значения через пробел>.
  10. Выполняет cp[mrow, mcol] = val. Выводит строку M_after_cp=<строки M через ; каждая строка — значения через пробел>.

Строки матрицы в выводе разделяются символом ;, значения внутри строки — пробелом.

Ввод и вывод

Программа читает stdin и пишет в stdout.

Формат ввода

R C
<R строк по C целых чисел через пробел>
r0 r1
mrow mcol
val

Гарантируется: 0 <= r0 < r1 <= R, 0 <= mrow < r1 - r0, 0 <= mcol < C.

Формат вывода

shares_vw=<True|False>
shares_cp=<True|False>
M_after_vw=<строки через ;>
M_after_cp=<строки через ;>
РешениеPython

Без регистрации. Гостевая проверка не сохраняет прогресс. Для сохранения перейдите к уроку.

Отправьте решение, чтобы увидеть результаты тестов.

Задача 5

Найди и исправь: три ошибки в view, copy и проверке shares_memory

Что уже дано

Проверяющая система запускает вашу программу и подаёт данные через stdin. Никаких заранее созданных переменных нет.

В редакторе уже есть сломанный код. В нём ровно три ошибки в трёх независимых строках:

  1. fragment создаётся как срез original[a:b] без .copy(), хотя по условию fragment должен быть независимой копией, не разделяющей память с original.
  2. view_seg создаётся как original[a:b].copy(), хотя по условию view_seg должен быть view — срезом без копирования.
  3. Мутация view_seg[0] = val проверяется сравнением с original[0], хотя правильно сравнивать с original[a] — именно этот элемент меняется через view.

Каждая ошибка находится в отдельной строке и не зависит от других.

Что нужно сделать

Найдите и исправьте все три ошибки так, чтобы программа:

  1. Читала из stdin одну строку с целыми числами через пробел — элементы массива original.
  2. Читала вторую строку с тремя целыми числами: a, b, val — начало среза, конец среза (не включительно) и значение для мутации.
  3. Создавала fragment = original[a:b].copy() — независимую копию среза.
  4. Создавала view_seg = original[a:b] — view (срез без копирования).
  5. Выводила shares_fragment=<True|False> — результат np.shares_memory(original, fragment) (ожидается False).
  6. Выводила shares_view=<True|False> — результат np.shares_memory(original, view_seg) (ожидается True).
  7. Выполняла view_seg[0] = val. Выводила mutated=<True|False> — результат сравнения original[a] == val (ожидается True, так как view изменил исходный массив).
  8. Выводила original=<значения через пробел> — текущие значения original после мутации.

Ввод и вывод

Программа читает stdin и пишет в stdout.

Формат ввода

<целые числа через пробел> # элементы original
<a> <b> <val> # начало среза, конец среза, значение мутации

Гарантируется: 0 <= a < b <= len(original), b - a >= 1.

Формат вывода

shares_fragment=<True|False>
shares_view=<True|False>
mutated=<True|False>
original=<значения через пробел>
РешениеPython

Без регистрации. Гостевая проверка не сохраняет прогресс. Для сохранения перейдите к уроку.

Отправьте решение, чтобы увидеть результаты тестов.

Задача 6

View и copy: умножение фрагмента с контролем мутации исходного массива

Что уже дано

Проверяющая система запускает вашу программу и подаёт данные через stdin. Никаких заранее созданных переменных нет — вы читаете всё сами.

Что нужно сделать

Напишите программу, которая выполняет два независимых эксперимента с умножением фрагмента массива:

  1. Читает из stdin одну строку с целыми числами через пробел — элементы массива. Создаёт одномерный массив source через np.array(..., dtype=int).
  2. Читает вторую строку с тремя целыми числами: a, b, factor — границы среза и множитель.
  3. Эксперимент 1 (через view). Получает view_seg = source[a:b]. Выполняет view_seg *= factor (умножение на месте). Выводит строку exp1_source=<значения через пробел> — текущие значения source.
  4. Восстанавливает исходные значения: перечитывает или пересоздаёт source из той же первой строки (сохраните её в переменную заранее).
  5. Эксперимент 2 (через copy). Получает copy_seg = source[a:b].copy(). Выполняет copy_seg *= factor. Выводит строку exp2_source=<значения через пробел> — текущие значения source.
  6. Выводит строку shares_view=<True|False> — результат np.shares_memory(source, source[a:b]) (проверка нового среза от восстановленного массива).
  7. Выводит строку shares_copy=<True|False> — результат np.shares_memory(source, source[a:b].copy()).

Ввод и вывод

Программа читает stdin и пишет в stdout.

Формат ввода

<целые числа через пробел> # элементы source
<a> <b> <factor> # границы среза и множитель

Гарантируется: 0 <= a < b <= len(source), factor >= 2.

Формат вывода

exp1_source=<значения через пробел>
exp2_source=<значения через пробел>
shares_view=<True|False>
shares_copy=<True|False>
РешениеPython

Без регистрации. Гостевая проверка не сохраняет прогресс. Для сохранения перейдите к уроку.

Отправьте решение, чтобы увидеть результаты тестов.

Задачи к уроку

Все задачи курса →

Продолжить с сохранением прогресса

Перейдите к уроку в учебном кабинете.

Перейти к интерактивному уроку