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文檔簡(jiǎn)介

第Python對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)源碼學(xué)習(xí)目錄1.PyObject:對(duì)象的基石2.PyVarObject:變長對(duì)象的基礎(chǔ)2.1浮點(diǎn)對(duì)象2.2列表對(duì)象3.PyTypeObject:類型的基石4.PyType_Type:類型的類型5.PyBaseObject_Type:類型之基6.補(bǔ)充在Python源碼學(xué)習(xí)筆記:Python萬物皆對(duì)象中,我們對(duì)Python的對(duì)象類型體系有了一定的認(rèn)識(shí),這篇博客將從源碼層面來介紹Python中萬物皆對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)。

1.PyObject:對(duì)象的基石

在Python解釋器的C層面,一切對(duì)象都是以PyObject為基礎(chǔ)的

C源碼如下:

typedefstruct_object{

_PyObject_HEAD_EXTRA

Py_ssize_tob_refcnt;

PyTypeObject*ob_type;

}PyObject;

源碼解讀:

_PyObject_HEAD_EXTRA:主要用于實(shí)現(xiàn)雙向鏈表(分析源碼時(shí)暫時(shí)忽略)

ob_refcnt:引用計(jì)數(shù),用于垃圾回收機(jī)制,當(dāng)這個(gè)參數(shù)減少為0時(shí)即代表對(duì)象要被刪除了(Py_ssize_t當(dāng)作int或long即可,感興趣的話可以去看下它的定義)

ob_type:類型指針,指向?qū)ο蟮念愋蛯?duì)象(PyTypeObject,稍后介紹),類型對(duì)象描述實(shí)例對(duì)象的數(shù)據(jù)及行為。如PyLongObject的ob_type指向的就是PyLong_Type

2.PyVarObject:變長對(duì)象的基礎(chǔ)

PyVarObject與PyObject相比只多了一個(gè)屬性ob_size,它指明了邊長對(duì)象中有多少個(gè)元素

C源碼如下:

typedefstruct{

PyObjectob_base;

Py_ssize_tob_size;/*Numberofitemsinvariablepart*/

}PyVarObject;

定長對(duì)象和變長對(duì)象的大致結(jié)構(gòu)圖示如下:

宏定義:對(duì)于具體對(duì)象,視其大小是否固定,需要包含頭部PyObject或PyVarObject,為此,頭文件準(zhǔn)備了兩個(gè)宏定義,方便其他對(duì)象使用:

#definePyObject_HEADPyObjectob_base;

#definePyObject_VAR_HEADPyVarObjectob_base;

2.1浮點(diǎn)對(duì)象

這里簡(jiǎn)單的以浮點(diǎn)對(duì)象作為定長對(duì)象的例子,介紹一下相關(guān)概念,后續(xù)會(huì)詳細(xì)分析float對(duì)象的源碼。

對(duì)于大小固定的浮點(diǎn)對(duì)象,需要在PyObject頭部的基礎(chǔ)上,用一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)double加以實(shí)現(xiàn):

typedefstruct{

PyObject_HEAD

doubleob_fval;

}PyFloatObject;

圖示如下:

2.2列表對(duì)象

這里簡(jiǎn)單的以列表對(duì)象作為變長對(duì)象的例子,介紹一下相關(guān)概念,后續(xù)會(huì)詳細(xì)分析list對(duì)象的源碼。

對(duì)于大小不固定的列表對(duì)象,需要在PyVarObject頭部的基礎(chǔ)上,用一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組加以實(shí)現(xiàn),數(shù)組存儲(chǔ)了列表包含的對(duì)象的指針,即PyObject指針:

typedefstruct{

PyObject_VAR_HEAD

PyObject**ob_item;

Py_ssize_tallocated;

}PyListObject;

源碼解讀:

ob_item:指向動(dòng)態(tài)數(shù)組的指針,數(shù)組中保存元素對(duì)象指針

allocated:動(dòng)態(tài)數(shù)組的總長度,即列表當(dāng)前的容量

ob_size:當(dāng)前元素個(gè)數(shù),即列表當(dāng)前的長度(這里的長度是指:列表包含n個(gè)元素,則長度為n)

圖示如下:

3.PyTypeObject:類型的基石

問題:不同類型的對(duì)象所需存儲(chǔ)空間不同,創(chuàng)建對(duì)象時(shí)從哪得知存儲(chǔ)信息呢?以及如何判斷一個(gè)給定對(duì)象支持哪些操作呢?

注意到,PyObject結(jié)構(gòu)體中包含一個(gè)指針ob_type,指向的就是類型對(duì)象,其中就包含了上述問題所需要的信息

C源碼如下:(只列出了部分,后續(xù)會(huì)結(jié)合具體類型進(jìn)行分析)

typedefstruct_typeobject{

PyObject_VAR_HEAD

constchar*tp_name;/*Forprinting,informat"module.name"*/

Py_ssize_ttp_basicsize,tp_itemsize;/*Forallocation*/

/*Methodstoimplementstandardoperations*/

destructortp_dealloc;

printfunctp_print

getattrfunctp_getattr;

setattrfunctp_setattr;

//...

/*Attributedescriptorandsubclassingstuff*/

PyObject*tp_bases;

//...

}PyTypeObject;

源碼解讀:

PyObject_VAR_HEAD表示PyTypeObject是變長對(duì)象

tp_name:類型名稱

tp_basicsize、tp_itemsize:創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象時(shí)所需的內(nèi)存信息

tp_print、tp_getattr等:表示該類型支持的相關(guān)操作信息

tp_bases:指向基類對(duì)象,表示類型的繼承信息

PyTypeObject就是類型對(duì)象在C層面的表示形式,對(duì)應(yīng)面向?qū)ο笾蓄惖母拍?,其中保存著?duì)象的元信息(即一類對(duì)象的操作、數(shù)據(jù)等)。

下面以浮點(diǎn)類型為例,列出了PyFloatObject和PyTypeObject之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖示:(其中兩個(gè)浮點(diǎn)實(shí)例對(duì)象都是PyFloatObject結(jié)構(gòu)體,浮點(diǎn)類型對(duì)象float是一個(gè)PyTypeObject結(jié)構(gòu)體變量)

由于浮點(diǎn)類型對(duì)象唯一,在C語言層面作為一個(gè)全局變量靜態(tài)定義即可。C源碼如下:(只列出了部分)

PyTypeObjectPyFloat_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"float",

sizeof(PyFloatObject),

(destructor)float_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

(reprfunc)float_repr,/*tp_repr*/

//...

源碼解讀:

第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0):初始化了ob_refcnt、ob_type、ob_sie三個(gè)字段,其中ob_type指向了PyType_Type(稍后會(huì)繼續(xù)介紹,它就是type),即:float的類型是type

第三行float:將tp_name字段初始化為類型名稱float

4.PyType_Type:類型的類型

通過PyFloat_Type的ob_type字段,我們找到了type所對(duì)應(yīng)的C語言層面結(jié)構(gòu)體變量:PyType_Type,C源碼如下:(只列出了部分)

PyTypeObjectPyType_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"type",/*tp_name*/

sizeof(PyHeapTypeObject),/*tp_basicsize*/

sizeof(PyMemberDef),/*tp_itemsize*/

(destructor)type_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

(reprfunc)type_repr,/*tp_repr*/

//...

內(nèi)建類型和自定義類對(duì)應(yīng)的PyTypeObject對(duì)象都是通過這個(gè)PyType_Type創(chuàng)建的。在第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)中,PyType_Type把自己的ob_type字段設(shè)置成了它自己,即type的類型是type

把PyType_Type加入到結(jié)構(gòu)圖中,圖示如下:

5.PyBaseObject_Type:類型之基

object是另外一個(gè)特殊的類型,它是所有類型的基類。如果要找到object對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體,我們可以通過PyFloat_Type的tp_base字段來尋找,因?yàn)樗赶虻木褪莊loat的基類object。但是我們查看源碼發(fā)現(xiàn),PyFloat_Type中并沒有初始化tp_base字段:

同樣地,我們查看Objects文件夾下的各種不同類型所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體,發(fā)現(xiàn)tp_base字段均沒有初始化,于是尋找將tp_base字段初始化的函數(shù):

void

_Py_ReadyTypes(void)

if(PyType_Ready(PyBaseObject_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializeobjecttype");

if(PyType_Ready(PyType_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializetypetype");

//...

if(PyType_Ready(PyFloat_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializefloattype");

//...

_Py_ReadyTypes中統(tǒng)一調(diào)用了PyType_Ready()函數(shù),為各種類型設(shè)置tp_base字段:

int

PyType_Ready(PyTypeObject*type)

//...

/*Initializetp_base(defaultstoBaseObjectunlessthat'sus)*/

base=type-tp_base;

if(base==NULLtype!=PyBaseObject_Type){

base=type-tp_base=PyBaseObject_Type;

Py_INCREF(base);

//...

可以看到,PyType_Ready在初始化tp_base字段時(shí),對(duì)于PyBaseObject_Type,不會(huì)設(shè)置tp_base字段,即object是沒有基類的,這就是為了保證繼承鏈有一個(gè)終點(diǎn)。

PyBaseObject_Type源碼如下:(只列出了部分)

PyTypeObjectPyBaseObject_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"object",/*tp_name*/

sizeof(PyObject),/*tp_basicsize*/

0,/*tp_itemsize*/

object_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

object_repr,/*tp_repr*/

//...

0,/*tp_base*/

//...

源碼解讀:

第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0):把ob_type設(shè)置為PyType_Type,即object的類型是type

將PyBaseObject_Type加入到結(jié)構(gòu)圖中,圖示如下:

6.補(bǔ)充

object的類型是type,type的基類是object。先有雞還是先有蛋?

答:

前面我們提到,在各種類型對(duì)應(yīng)的C語言結(jié)構(gòu)體變量初始化的時(shí)候,tp_base字段都是沒有設(shè)置具體值的,直到_Py_ReadyTypes()函數(shù)執(zhí)行時(shí),才通過PyType_Ready()去初始化各類型的tp_base。

在PyBaseObject_Type初始化時(shí),會(huì)將ob_tyep字段設(shè)置為PyType_Type,即object的類型為type;在_Py_ReadyTypes函數(shù)中,會(huì)通過PyType_Ready()設(shè)置PyType_Type的tp_base字段為PyBaseOb

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