python小白，問一個關於可變類型和不可變類型底層的問題

Question

第一段程式碼：

#

a = "hello"   #定义一个字符串的变量
print(id(a))  #第一次的地址
print(a)      #a = hello
a = a.upper() # 单纯的a.upper() 执行过后，无法存储到a本身，必须得重新赋值给a  换句话说，a在被upper之后，重新指向了一个新的地址
print(id(a))  #第二次的地址
print(a)

第一段程式碼執行結果：

#第二段程式碼：

#

b = [11,22,33,44,55]  #定义一个列表的变量
print(id(b))          #第一次的地址
print(b)              #b = [11,22,33,44,55]
b.append(99)          #单纯的b.append()执行过后，不需要存储到b，因为b已经被更改
print(id(b))          #检查第一次的地址
print(b)              #发现在第一次地址当中，b已经改变
#b = b.append(99)     #如果将修改b这个行为赋值到b
#print(id(b))         #检查地址，发现已经变更
#print(b)             #检查b的值，发现已经变更。b的值为none   因为b.append(99)本身的返回值为none
#[***列表为可修改变量，因此修改完之后，地址跟原来的一样。反而是如果像修改字符串那样重新赋值，变得不可行。原因在于append语句本身并不返回值。***]
#字符串赋值之后放在内存一个地址，这个地址上面的字符串是无法更改的，只能重新做一个新的字符串，然后改变变量的指向位置。
#而列表赋值之后存在一个内存的地址，这个列表里面的值是可以直接修改的。不需要重新做一个新的列表，然后改变变量的指向位置。

第二段程式碼執行結果：

#在學python的過程當中被告知，字串是屬於不可變類型，列表屬於可變類型。也就是說，如果我要改字串，我其實是重新做了一個新的字串，放在記憶體的新的位址中，原來的地方那個字串還是原來的老樣子。如第一段代碼所示。
而列表不一樣，列表可以在原來的記憶體位址上直接修改。如第二段程式碼所示。
我的問題：
可變類型和不可變類型的根本差異在哪裡？為什麼會出現這種差異？為什麼第一段程式碼裡，a要改變，必須改變位址，第二段程式碼裡b可以不變位址的情況下直接修改清單的值。這裡面的底層邏輯是什麼？我猜想，是不是意味著列表這個東西本身，也其實是某一個一堆值得集合體，它僅僅只是反映了一個集合體本身，把一堆值指向了這一個地方而已，所以才是可以修改的？我不知道我表達有沒有清楚。
我只是對這個東西很好奇，也就是說，追根究底清單到底是個什麼東西，為什麼他是可以直接改的？而字串沒辦法改。往再底層深入之後，他們兩個到底是啥？

Answer 1

其實物件可變不可變, 對py, 都是內部實現的問題, 如果我修改相應的方法, 將其寫回到本身, 這樣也能模仿出可變的現象, 就小小類似tuple 和list的關係,
既然想了解底層, 那就直接看源碼吧:
這是字符串的upper()

static PyObject *
string_upper(PyStringObject *self)
{
    char *s;
    Py_ssize_t i, n = PyString_GET_SIZE(self); # 取出字符串对象中字符串的长度
    PyObject *newobj;

    newobj = PyString_FromStringAndSize(NULL, n); # 可以理解成申请内存空间
    if (!newobj)
        return NULL;

    s = PyString_AS_STRING(newobj);  # 从newobj对象取出具体字符串指针

    Py_MEMCPY(s, PyString_AS_STRING(self), n); # 拷贝旧的字符串

    for (i = 0; i < n; i++) {
        int c = Py_CHARMASK(s[i]);
        if (islower(c))
            s[i] = _toupper(c);   # 修改对应指针位置上的内容
    }

    return newobj;  # 返回新字符串对象 (区分字符串对象和里面字符串的指针)
}

這是清單的append

int
PyList_Append(PyObject *op, PyObject *newitem)
{
    if (PyList_Check(op) && (newitem != NULL))
        return app1((PyListObject *)op, newitem);
    PyErr_BadInternalCall();
    return -1;
}

static int
app1(PyListObject *self, PyObject *v)
{
    Py_ssize_t n = PyList_GET_SIZE(self);

    assert (v != NULL);
    if (n == PY_SSIZE_T_MAX) {
        PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
            "cannot add more objects to list");
        return -1;
    }

    if (list_resize(self, n+1) == -1)
        return -1;

    Py_INCREF(v);
    PyList_SET_ITEM(self, n, v);   # 因为列表是头和和成员分开的, 所以直接将新成员追加在原来的成员数组后面, 长度变化通过resize实现
    return 0;
}

Answer 2

python字串有cache的，如果兩個相同的字串在不同的變數a,b，他們的id(a), id(b)是一樣的．
但如果當a, b的引用為０是，就會自動銷毀物件．

樓主的例子：　

a = a.upper()

a的變數內容已經變化，不一樣了，舊的內容沒有了引用，垃圾回收銷毀物件．
b是列表，是可變的，可以再申請內存．同時，b有內容引用，不會被銷毀．

Answer 3

往再底層深入，就去看python的C源碼唄~

可不可變，是python語言規定的。

不可變類型 沒有提供修改物件本身的方法，而 可變類型 提供了這些方法。就這些差別，沒啥神秘的。

Answer 4

從硬體角度說，提供給使用者的介面是按照規定設定好的，操作記憶體就是固定的方式，不存在可變和不可變。
往上，就是作業系統層，對硬體api進行了大量的封裝，使用戶操作變得豐富，對於python解釋器是使用c語言編寫的，使用python時只是使用了python的語用，編寫程式碼，然後交給解釋器去執行.在上面的前提下，來解釋當前問題，python的可變和不可變是python創建者規定的，實現這些規定的方式可能就是調用了不同的底層api,或者是不同底層api相互組合來實現的。將這些規定以python語用的形式提供給使用者使用，最後還是編譯成0,1去讓電腦執行。對使用者來說，可變和不可變物件是語言提供的特性，可以完成一些功能，但是對於電腦其實是沒區別的。