注意：除非另有说明，否则以下所有解释均适用于 R 版本
为了回答您的第一个问题，“为什么要四份，一份不够？”，我们首先引用R-internals 的相关部分：
“命名”值为 2，即 NAM(2)，表示对象在更改之前必须被复制。 （注意，这并不是说必须复制，只是不管是否必要都应该复制。）值为 0 表示已知没有其他 SEXP 与该对象共享数据，因此它可以安全地改变。
值 1 用于像dim(a) <- c(7, 2) 这样的情况，其中原则上在计算期间存在两个副本（原则上）
a <- dim(a, c(7, 2)) 但不再适用，因此可以优化一些原始函数以避免在这种情况下复制。
南美(1)：
让我们从NAM(1) 对象开始。这是一个例子：
x <- 1:5 # (1)
.Internal(inspect(x))
# @10374ecc8 13 INTSXP g0c3 [NAM(1)] (len=5, tl=0) 1,2,3,4,5
tracemem(x)
# [1] "<0x10374ecc8>"
x[2L] <- 10L # (2)
.Internal(inspect(x))
# @10374ecc8 13 INTSXP g0c3 [MARK,NAM(1),TR] (len=5, tl=0) 1,10,3,4,5
这里发生了什么？我们使用: 创建了一个整数向量，它是一个原语，产生一个 NAM(1) 对象。当我们在那个对象上使用[<- 时，值就地改变了（注意指针是相同的，（1）和（2））。这是因为[<- 作为一个原语非常清楚如何处理其输入，并且针对这种情况下的无副本进行了优化。
y = x # (3)
.Internal(inspect(x))
# @10374ecc8 13 INTSXP g0c3 [MARK,NAM(2),TR] (len=5, tl=0) 1,10,3,4,5
x[2L] <- 20L # (4)
.Internal(inspect(x))
# tracemem[0x10374ecc8 -> 0x10372f328]:
# @10372f328 13 INTSXP g0c3 [NAM(1),TR] (len=5, tl=0) 1,20,3,4,5
现在同样的分配结果是一个副本，为什么？通过执行 (3)，'named' 字段将递增到 NAM(2)，因为多个对象指向相同的数据。即使[<- 被优化，它是NAM(2) 的事实意味着对象必须被复制。这就是为什么在分配之后它现在又是一个NAM(1) 对象。那是因为，调用 duplicate 会将 named 设置为 0，而新的分配会将其重新设置为 1。
注意：Peter Dalgaard 很好地解释了这个案例 in this link 为何 x = 2L 会导致 NAM(2) 对象。
南美(2)：
现在让我们回到您的关于在data.frame 上调用*<- 的问题，这是一个NAM(2) 对象。
那么第一个问题是，为什么data.frame() 是NAM(2) 对象？为什么不像之前的案例 x <- 1:5 那样使用NAM(1)？ Duncan Murdoch 在same post 上很好地回答了这个问题：
data.frame() 是一个普通的 R 函数，因此它的处理方式与任何用户编写的函数没有区别。另一方面，实现:操作符的内部函数是一个原语，所以它可以完全控制它的返回值，并且可以最有效地设置NAMED。
这意味着任何更改值的尝试都将导致触发duplicate（深拷贝）。来自?tracemem：
... C 函数duplicate 对对象的任何复制都会在标准输出中生成一条消息。
所以来自tracemem 的消息有助于了解副本的数量。要了解tracemem 输出的第一行，让我们构造函数f<-，它没有实际替换。另外，让我们构造一个足够大的data.frame，以便我们可以测量该data.frame 的单个副本所花费的时间。
## R v 3.0.3
`f<-` = function(x, value) {
return(x) ## no actual replacement
}
df <- data.frame(x=1:1e8, y=1:1e8) # 762.9 Mb
tracemem(df) # [1] "<0x7fbccd2f4ae8>"
require(data.table)
system.time(copy(df))
# tracemem[0x7fbccd2f4ae8 -> 0x7fbccd2f4ff0]: copy system.time
# user system elapsed
# 0.609 0.484 1.106
system.time(f(df) <- 3)
# tracemem[0x7fbccd2f4ae8 -> 0x7fbccd2f4f10]: system.time
# user system elapsed
# 0.608 0.480 1.101
我使用了来自data.table 的函数copy()（它基本上调用了C 的duplicate 函数）。复制的时间或多或少相同。所以，第一步显然是深拷贝，即使它什么也没做。
这解释了您帖子中来自tracemem 的前两条详细消息：
(1) 从我们称为f(df) <- 3) 的全局环境中。这是一个副本。
(2) 在函数f<- 中，另一个赋值x[1,1] <- 3 将调用[<-（因此调用[<-.data.frame 函数）。这使得 second 立即复制。
在[<-.data.frame 上输入debugonce() 很容易找到其余的副本。也就是说，做：
debugonce(`[<-`)
df <- data.frame(x=1:1e8, y=1:1e8)
`f<-` = function(x, value) {
x[1,1] = value
return(x)
}
tracemem(df)
f(df) = 3
# first three lines:
# tracemem[0x7f8ba33d8a08 -> 0x7f8ba33d8d50]: (1)
# tracemem[0x7f8ba33d8d50 -> 0x7f8ba33d8a78]: f<- (2)
# debugging in: `[<-.data.frame`(`*tmp*`, 1L, 1L, value = 3L)
点击enter，你会发现另外两个副本在这个函数里面：
# debug: class(x) <- NULL
# tracemem[0x7f8ba33d8a78 -> 0x7f8ba3cd6078]: [<-.data.frame [<- f<- (3)
# debug: x[[jj]][iseq] <- vjj
# tracemem[0x7f8ba3cd6078 -> 0x7f882c35ed40]: [<-.data.frame [<- f<- (4)
请注意，class 是原始的，但它是在 NAM(2) 对象上调用的。我怀疑这就是那里复制的原因。最后一个副本是不可避免的，因为它会修改列。
所以，你去吧。
现在在R v3.1.0上做一个小笔记：
我也在R V3.1.0 中进行了相同的测试。 tracemem 提供所有四行。但是，唯一耗时的步骤是 (4)。 IIUC，其余的情况，都是由于[<- / class<- 应该触发浅拷贝而不是深拷贝。令人敬畏的是，即使在 (4) 中，也只有正在修改的列似乎是深度复制。 R 3.1.0 有了很大的改进！
这意味着tracemem 也由于 浅拷贝 提供了输出 - 这有点令人困惑，因为文档没有明确说明这一点，并且很难区分浅拷贝和深拷贝，除了测量时间。也许这是我的（不正确的）理解。请随时纠正我。
在您的第二部分，我将引用 here 的 Luke Tierney 的话：
直接调用foo<- 函数不是一个好主意，除非您真正了解一般分配机制和特定foo<- 函数中发生的情况。除非您喜欢令人不快的惊喜，否则绝对不是常规编程中要做的事情。
但我无法判断这些令人不快的意外是否会扩展到已经是 NAM(2) 的对象。因为，Matt 在 list 上调用它，这是一个原语，因此是 NAM(1)，并且直接调用 foo<- 不会增加它的“命名”值。
但是，R v3.1.0 有很大改进的事实应该已经让您相信，不再需要这样的函数调用了。
HTH。
PS：请随时纠正我（如果可能，请帮助我缩短这个答案）:)。
编辑：我似乎错过了直接致电f<- 时减少副本的要点，如评论中所示。使用帖子中使用的函数 Simon Urbanek 很容易看到（现在已多次链接）：
# rm(list=ls()) # to make sure there' no other object in your workspace
`f<-` <- function(x, value) {
print(ls(env = parent.frame()))
}
df <- data.frame(x=1, y=2)
tracemem(df) # [1] "<0x7fce01a65358>"
f(df) = 3
# tracemem[0x7fce0359b2a0 -> 0x7fce0359ae08]:
# [1] "*tmp*" "df" "f<-"
df <- data.frame(x=1, y=2)
tracemem(df) # [1] "<0x7fce03c505c0>"
df <- `f<-`(df, 3)
# [1] "df" "f<-"
如您所见，在第一种方法中创建了一个对象*tmp*，而在第二种情况下则没有。似乎为NAM(2) 输入对象创建*tmp* 对象会在*tmp* 分配给函数参数之前触发输入的副本。但这就是我的理解。