Python 2.7中不重新实例化修改str子类实例存储字符串

Python 2.7 中str是CPython在C层实现的不可变内置类型，实例创建时就固定了内存分配大小和内部存储的字符序列，常规Python层面的属性修改、方法重写都无法改动这个原始值。你观察到的部分场景直接返回实例化传入的原始字符串，是因为这些场景下解释器直接读取C结构体中存储的字符数组，完全绕过了你在Python层重写的__str__和__repr__方法。

不需要重建实例、直接修改原有str子类实例内部存储值的方案，仅能在CPython 2.7环境下通过ctypes直接操作内存实现，具体代码如下：

import ctypes

# 映射CPython2.7内部PyStringObject的内存结构
class _PyStringObject(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("ob_refcnt", ctypes.c_long),
        ("ob_type", ctypes.c_void_p),
        ("ob_size", ctypes.c_long),
        ("ob_shash", ctypes.c_long),
        ("ob_sstate", ctypes.c_int),
        ("ob_sval", ctypes.c_char * 1)
    ]

def modify_str_instance(inst, new_content):
    """
    原地修改str/str子类实例的内部存储值，不生成新实例
    注意：new_content长度必须和实例原有字符串长度完全一致
    """
    original_len = len(inst)
    if len(new_content) != original_len:
        raise ValueError("新字符串长度必须与原字符串完全相等，否则会触发内存越界")
    # 定位实例对应的C结构体内存地址
    c_struct = _PyStringObject.from_address(id(inst))
    # 覆写字符数组内容
    ctypes.memmove(ctypes.addressof(c_struct.ob_sval), new_content, original_len)
    # 清空缓存的哈希值，避免字典、集合等哈希场景逻辑异常
    c_struct.ob_shash = -1


# 测试对应代码逻辑
class A(str):            
    def __str__(self):
        return "the string"
    
    def __repr__(self):
        return "the repr"

a = A("change me")
# 此时直接访问a返回"change me"

# 原地修改，注意新字符串长度和原串"change me"一致（共9个字符）
modify_str_instance(a, "changed!!")
# 此时直接访问a会返回"changed!!"，全程没有生成新的A实例

约束说明 #

• 该方案仅支持CPython 2.7解释器，PyPy、Jython等其他实现的内存结构不匹配，无法使用
• 新传入的字符串长度必须和实例创建时的原始字符串长度完全相等：str作为不可变类型，实例创建时就固定了内存块大小，没有预留扩容空间，长度不匹配会直接造成内存越界崩溃
• 修改会作用于所有指向该实例的引用，因为改动的是对象本身的内存数据，不是变量的绑定关系
• 禁止用该方法修改Python解释器自动驻留的短字符串、代码中硬编码的字符串常量，否则会导致全局字符串逻辑错乱

如果需要将实例内部值修改为不同长度的字符串，不存在原地修改的可行方案：不可变类型的设计就不支持创建后改动内存大小，所有这类操作本质都要生成新实例。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Adam Sirrelle