配列のコピー元を変更するとコピー先の配列まで変更されるのはなぜか

Question

>>> list1 = ['A', 'B', 'C']
>>> list2 = ['1', '2']
>>> list1[1:] = list2
>>> print(list1) # ['A', '1', '2']
>>> list2[0] = 'abc'
>>> print(list1) # ['A', '1', '2']

list1 = ['A', 'B', 'C']
list2 = [[1, 2], [3, 4]]
list1[1:] = list2
print(list1) # ['A', [1, 2], [3, 4]]
list2[0][0] = 'abc'
print(list1) # ['A', ['abc', 2], [3, 4]]

上の２つの状況は、配列の次元以外は同じだと思うのですが、上の状況では、コピー元であるlist2を変えてもコピー先であるlist1は変わっていないのに対し、下の状況ではなぜ変わってしまうのでしょうか？

Answer 1

参照しているオブジェクト自体が変更されたからです．と言っても難しいと思うので，順に説明していきます．

ミュータブルとイミュータブル

Pythonのオブジェクトはイミュータブル(変更不可)かミュータブル(変更可)のどちらかです．
数値や文字列，タプルなどはイミュータブルです．

s = "hoge"
s[1] = "a"  #=> エラー!

このように変更しようとするとエラーになります．
対してリストや辞書などはミュータブルです．

l = ["h", "o", "g", "e"]
l[1] = "a"  #=> ['h', 'a', 'g', 'e']

エラー無く変更できますね．

代入

よく代入は「変数という箱にデータを入れる」と例えられますが，Pythonにおいては少し違います．
変数に入るのはデータ（オブジェクト）自体ではなく，その参照です．
参照をめちゃくちゃ簡単に言うと，「オブジェクトを指し示す矢印」です．

本題

次のプログラムは，質問者さんの「上の状況」を簡単にしたものです．

a = 123
b = a
print(a)  #=> 123
print(b)  #=> 123
a = 987
print(a)  #=> 987
print(b)  #=> 123

このようなプログラムで何が起こっているかというと．

まず１行目で，123という数値オブジェクトが作成されて，これを指し示す矢印(参照)が変数aに入ります．

次に2行目で変数aに入っている参照が変数bに入ります．
つまり，123というオブジェクトはコピーされず1つのままで，その参照がコピーされているわけです．
なので，この時点では変数aも変数bも同じ1つのオブジェクトを参照しています．

最後に5行目で，987というオブジェクトが新たに作成され，その参照が変数aに入ります．
このとき，123というオブジェクト自体が変更されたわけではないので，変数bには123への参照が入ったままです．(そもそもイミュータブルだから変更できない)

次に「下の状況」を簡単にしたプログラムです．

a = [1, 2, 3]
b = a
print(a)  #=> [1, 2, 3]
print(b)  #=> [1, 2, 3]
a[1] = 9
print(a)  #=> [1, 9, 3]
print(b)  #=> [1, 9, 3]

4行目までは同じですね．
リストオブジェクトを作成して，その参照を変数aと変数bに入れています．

5行目が異なります．
変数aが参照しているリストオブジェクトの要素を変更していますね．
リストはミュータブルなので問題なくオブジェクト自体を変更できます．
そして，変数bも同じオブジェクトを参照しているので，変数aと同じになります．

おしまい

ミュータブルなオブジェクトを代入したり関数の引数に渡したりするときは，間接的にオブジェクトの値が変更できてしまうので気をつけましょう．

Answer 2

Python では変数とオブジェクトとの関係は束縛（bind）となっています。
全ての変数は、参照変数と考えると分かりやすいと思います。
さらに言えば、変数にはオブジェクトを参照する情報が格納されていると考えても矛盾はないと思います。
実際 CPython の実装では変数にオブジェクトのアドレスが格納されていると聞いています。

list1 = ['A', 'B', 'C']
list2 = ['1', '2']
list1[1:] = list2
print(list1) # ['A', '1', '2']

list1[1] には list2[0] に格納されている '1' への参照情報を代入したので
list1[1] の id と list2[0] の id つまり参照している '1' の id は同じです。

print(id(list1[1]))  # この id と
print(id(list2[0]))  # この id は同じ
list2[0] = 'abc'

とすると list2[0] は 'abc' への参照情報で上書きされます。

print(list1) # ['A', '1', '2']

list1[1] には '1' への参照情報が入ったままなので '1' を参照したままです。

list1 = ['A', 'B', 'C']
list2 = [[1, 2], [3, 4]]
list1[1:] = list2
print(list1) # ['A', [1, 2], [3, 4]]

list1[1] には list2[0] に格納されている [1, 2] への参照情報を代入したので
list1[1] の id と list2[0] の id つまり参照している [1, 2] の id は同じです。

print(id(list1[1]))  # この id と
print(id(list2[0]))  # この id は同じ
list2[0][0] = 'abc'

とすると list2[0][0] は 'abc' への参照情報で上書きされますが、これは list2[0] が参照している [1, 2] の最初の要素を 1 の参照情報から 'abc' の参照情報に上書きしています。
list2[0] が参照しているリスト自体は元のままで、その最初の要素の参照情報が書き換わっただけです。
list2[0] と list1[1] は同じリストを参照したままですから

print(list1) # ['A', ['abc', 2], [3, 4]]

となります。

Comments

[dameo]

今回の質問はpythonの変数には値型がなく参照型しかないというだけで、ミュータブルかどうかは関係ないと思ったので、こちらを高評価しました(仮に値型のミュータブルがあったらややこしいだけ)。

[lehshell]

そうですね。今回の質問にミュータブルかイミュータブルかは関係ありませんね。
実際、list2[0]がミュータブルでもlist2[0]に代入するのであれば以下のように影響しませんね。
list1 = ['A', 'B', 'C']
list2 = [[1, 2], [3, 4]]
list1[1:] = list2
print(list1) # ['A', [1, 2], [3, 4]]
list2[0] = 'abc'
print(list1) # ['A', [1, 2], [3, 4]]