【Python】リストを変数に代入する際に気をつけること（参照渡し、copyによるコピー）

リストの要素をひとつだけ変更して新しいリストを作る際に、元のリストも値が変わってしまって困ったことはありませんか？
今回は、このような悩みを解決するために、

リスト（に限らずPythonのオブジェクト）の代入のからくり（参照渡し）
copy.copy()、copy.deepcopy()を使ってデータをコピーする方法

についてまとめます。

確認した環境
リストを変数に代入したけどうまく行かない!
代入処理のからくり
copyモジュールによるリストのコピー
リストをコピーする他の方法
辞書をコピーする他の方法
まとめ

確認した環境

OS: Ubuntu 16.04LTS
Python3.7.2@Anaconda

リストを変数に代入したけどうまく行かない!

リストaはそのままにして、
要素をひとつだけ変更して新しいリストbをつくりたい！

と思い、下記のようなコードを書きました。

>>> a = [1, 2, 3, 4]
>>> b = a
>>> b[0] = 'X'

結果は下記の通り、、

>>> a
['X', 2, 3, 4]
>>> b
['X', 2, 3, 4]

リストbのみを変更したかったのですが、元のリストaも書き換わってしまいました！

数値の場合は以下の通り変更できたのですが、リストの場合は異なるようです。

# 数値の場合
>>> a = 1
>>> b = a
>>> b =2
>>> a
1
>>> b
2

代入処理のからくり

Pythonでは、リスト（に限らずオブジェクト）を変数に代入する処理は、値そのものを変数に代入するのではなく、リストの「参照」を変数に代入します。

「参照（reference）」とは、データの存在する箇所を示す値であり、それぞれID(=識別子）が付与されます。
IDは、id()関数で調べることができます。

そして、実際の値はその参照先のメモリに格納されます。

リストaを’=’で変数bに代入すると、Pythonはリストの「参照」を新しい変数bにコピーします。
その結果、下記の例の様にリストaとリストbは同じID（識別子）、つまり同じ「参照」を示します。

>>> a = [1, 2, 3, 4]

#リストaの参照をbにコピー
>>> b = a

#リストaの識別子
>>> id(a)
140099874343240

#リストbの識別子
>>> id(b)
140099874343240

ここでリストbの要素を変更すると、リストbの参照先の値が変更されます。
これに伴い、下記の様に同じIDを参照しているリストaの値も変更されたように見えます。
これが今回の事象のからくりです。

# リストbの要素を変更
>>> b[0] = 99
>>> b
[99, 2, 3, 4]

# 同じIDを参照しているリストaの値も変わったように見える
>>> a
[99, 2, 3, 4]

ここで、リストbに新たなリスト型データを代入してみます。

# 新たなリスト型データを代入
>>> b = [5, 6, 7, 8]

# 今度はリストaは変わらず
>>> a
[99, 2, 3, 4]

この場合はリストaの値は変わりません。
下記に示すように、変数bに新しいリスト型データを代入したことにより新しいオブジェクトが生成され、別のIDを参照するようになった為です。

#リストbの識別子（リストaと異なっている）
>>> id(b)
140099895867784

#リストaの識別子
>>> id(a)
140099874343240

ちなみに、先に数値は今回の様な現象は置きないと記載しました。
これは、変数bに新しい数値を代入した時点で新しいオブジェクトが生成された（＝参照先が変わった）為です。

>>> a = 1
>>> b = a
>>> b =2　★ここで新しいオブジェクトが生成

copyモジュールによるリストのコピー

元の値を変更せずにリストをコピーするには、Pythonの標準ライブラリのcopyモジュールを使います。このモジュールは、

copy.copy(x): xの浅いコピーを返す
copy.deepcopy(x)：xの深いコピーを返す

を提供しています。これらを使ってコピーすることで、別のIDを参照するようになります。
具体例を以下に示します。

#copyモジュールをインポートするのを忘れずに
>>> import copy 

# リストaのデータを変数bにコピー
>>> a = [1, 2, 3, 4]
>>> b = copy.copy(a)
>>> b[0] = 'X'

#リストaの要素は変更されない
>>> a
[1, 2, 3, 4]

#リストbのみ変更される
>>> b
['X', 2, 3, 4]　

#リストa、リストbそれぞれのIDを確認
>>> id(a)
140355191620040
>>> id(b)
140355191620104

copy()関数を使うことで、リストa、リストbにそれぞれ異なるIDがアサインされたことがわかります。

＜参考＞copy.copy()はリストだけでなく他のシーケンス型（タブル、文字列）や辞書もコピーすることができます。

辞書のようなミュータブルなオブジェクトは、リストと同様に参照が変わります。

# 辞書の場合
>> d = {'a':1, 'b':2}
>>> e = d
>>> e
{'a': 1, 'b': 2}

# 参照が同じ
>>> id(d)
139912673832320
>>> id(e)
139912673832320


# copy.copy()でコピー後は参照が変わる
>>> f = copy.copy(d)
>>> f
{'a': 1, 'b': 2}
>>> id(f)
139912673910288

タブル、文字列のようなイミュータブルなオブジェクトは参照が変わりません。

# タプルの場合
>>> a = (1, 2, 3)
>>> b = a
>>> b
(1, 2, 3)

# 参照が同じ
>>> id(a)
139912673989616
>>> id(b)
139912673989616

# copy.copy()でコピー後も参照が同じ
>>> c = copy.copy(a)
>>> c
(1, 2, 3)
>>> id(c)
139912673989616

また、入れ子になったリストなど、他のオブジェクトを含む複合オブジェクトをコピーする際は、copy.deepcopy()を使います。

リストをコピーする他の方法

s.copy()を使う
リストはcopy()メソッドをサポートしています。下記に使いかたを示します。

>>> l = [1, 2, 3]

# s.copy()を使ってコピー
>>> l.copy()
[1, 2, 3]
>>> m = l.copy()

# コピー前後でIDが変更
>>> id(l)
139912673826120
>>> id(m)
139912673911560

スライス表記を使う
スライス表記を使っても上記同じ結果が得られます。

>>> l = [1, 2, 3]

# スライス表記
>>> m = l[:]
>>> m
[1, 2, 3]

# コピー前後でIDが変更
>>> id(m)
139912695268744
>>> id(l)
139912673827208

辞書をコピーする他の方法

辞書もcopy()メソッドをサポートしていますので、こちらのほうが簡単に書けると思います。

>>> d = {'a':1, 'b':2}

# dict.copy()を使ってコピー
>>> e = d.copy()
>>> e
{'a': 1, 'b': 2}

# コピー前後でIDが変更
>>> id(d)
139912673910360
>>> id(e)
139912673910432