前言

Python是C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，因此Python對(duì)象在C語(yǔ)言層面應(yīng)該是一個(gè)結(jié)構(gòu)體 ，組織對(duì)象占用的內(nèi)存。 不同類型的對(duì)象，數(shù)據(jù)及行為均可能不同，因此可以大膽猜測(cè)：不同類型的對(duì)象由不同的結(jié)構(gòu)體表示。

對(duì)象也有一些共性，比如每個(gè)對(duì)象都需要有一個(gè)引用計(jì)數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)垃圾回收機(jī)制。因此，還可以進(jìn)一步猜測(cè)：表示對(duì)象的結(jié)構(gòu)體有一個(gè)公共頭部。

一. 實(shí)例對(duì)象的基石—PyObject和PyVarObject

PyObject和PyVarObject本質(zhì)上是對(duì)象的頭部信息。

1.1 PyObject結(jié)構(gòu)體

Python對(duì)象都由PyObject結(jié)構(gòu)體表示，對(duì)象引用則是指針PyObject *。 PyObject結(jié)構(gòu)體定義于頭文件object.h，路徑為Include/object.h，代碼如下

typedef struct _object {
    _PyObject_HEAD_EXTRA
    Py_ssize_t ob_refcnt;
    struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;

對(duì)結(jié)構(gòu)體中的元素進(jìn)行說(shuō)明，

1.2 宏的定義

#ifdef Py_TRACE_REFS
/* Define pointers to support a doubly-linked list of all live heap objects. */
#define _PyObject_HEAD_EXTRA            \
    struct _object *_ob_next;           \
    struct _object *_ob_prev;

#define _PyObject_EXTRA_INIT 0, 0,

#else
#define _PyObject_HEAD_EXTRA
#define _PyObject_EXTRA_INIT
#endif

如果Py_TRACE_REFS被定義，宏展開(kāi)為兩個(gè)指針ob_next和ob_prev用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向鏈表。注釋中說(shuō)明，雙向鏈表用于跟蹤所有活躍堆對(duì)象，一般不啟用，不深入介紹。

1.3 PyVarObject結(jié)構(gòu)體

用于表示變長(zhǎng)對(duì)象的PyVarObject結(jié)構(gòu)體是在PyObject結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)上加入長(zhǎng)度信息。

typedef struct {
    PyObject ob_base;
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
} PyVarObject;

相比object結(jié)構(gòu)體增加了ob_size字段用于記錄元素個(gè)數(shù)。

1.4 兩種頭部信息宏定義及其初始化

具體實(shí)例對(duì)象視其內(nèi)存大小是否固定，決定其屬于定長(zhǎng)對(duì)象還是變長(zhǎng)對(duì)象。相應(yīng)的需要具有頭部信息PyObject或PyVarObject。

因此，頭文件準(zhǔn)備了兩個(gè)頭部信息的宏定義PyObject_HEAD和PyObject_VAR_HEAD，方便對(duì)象使用，

#define PyObject_HEAD          PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;

宏定義說(shuō)明，

#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
表示將代碼中其他出現(xiàn)PyObject_HEAD的地方，替換成PyObject ob_base;

1.4.1 定長(zhǎng)對(duì)象實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存大小固定的浮點(diǎn)數(shù)類的實(shí)現(xiàn)只需在PyObject頭部基礎(chǔ)上，用一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)double加以實(shí)現(xiàn)，

typedef struct {
    PyObject_HEAD

    double ob_fval;
} PyFloatObject;

1.4.2 變長(zhǎng)對(duì)象實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存大小不固定的列表對(duì)象則需要在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)列表包含的對(duì)象，即 PyObject 指針，

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD

    PyObject **ob_item;
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

PyListObject底層由一個(gè)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵字段是以下3個(gè)，

列表容量不足時(shí)，Python會(huì)自動(dòng)擴(kuò)容，具體機(jī)制見(jiàn)list源碼解讀。

1.4.3 頭部信息宏初始化

PyObject_HEAD_INIT用于定長(zhǎng)對(duì)象頭部信息初始化。將引用計(jì)數(shù)ob_refcnt設(shè)置為1并將對(duì)象類型ob_type設(shè)置成給定類型。

#define PyObject_HEAD_INIT(type)        \
    { _PyObject_EXTRA_INIT              \
    1, type },

PyVarObject_HEAD_INIT用于變長(zhǎng)對(duì)象頭部信息初始化。在前者基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)置長(zhǎng)度字段ob_size。

#define PyVarObject_HEAD_INIT(type, size)       \
    { PyObject_HEAD_INIT(type) size },

在源碼中經(jīng)常見(jiàn)到這兩個(gè)宏定義。

二. 類型對(duì)象的基石—PyTypeObject 2.1 PyTypeObject包含信息

PyObject記錄了Python中所有對(duì)象共有的信息。如引用計(jì)數(shù)、類型指針和變長(zhǎng)對(duì)象特有的元素個(gè)數(shù)。但是還有一些細(xì)節(jié)需要考慮，

• 創(chuàng)建不同類型的對(duì)象時(shí)如何得知對(duì)象所需的內(nèi)存信息
• 給定某個(gè)對(duì)象，如何判斷它支持什么操作

這些作為對(duì)象的元信息 ，應(yīng)該由一個(gè)獨(dú)立實(shí)體保存，與對(duì)象所屬類型密切相關(guān)。PyObject中包含的ob_type指針，指向一個(gè)類型對(duì)象。類型對(duì)象PyTypeObject也在Include/object.h中定義，關(guān)鍵字段如下，

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name; /* For printing, in format "<module>.<name>" */
    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */

    /* Methods to implement standard operations */
    destructor tp_dealloc;
    printfunc tp_print;

    getattrfunc tp_getattr;
    setattrfunc tp_setattr;

    // ...
    /* Attribute descriptor and subclassing stuff */
    struct _typeobject *tp_base;

    // ......
} PyTypeObject;

類型對(duì)象PyTypeObject是一個(gè)變長(zhǎng)對(duì)象，包含變長(zhǎng)對(duì)象頭部信息PyObject_VAR_HEAD和專有字段，

PyTypeObject就是類型對(duì)象在 Python 中的表現(xiàn)形式，對(duì)應(yīng)著面向?qū)ο笾小邦悺钡母拍睢?code>PyTypeObject結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，目前只需要知道它保存著對(duì)象的元信息，描述對(duì)象的類型即可。

2.2 類型對(duì)象和實(shí)例對(duì)象在內(nèi)存中的關(guān)系

以float為例，考察類型對(duì)象和實(shí)例對(duì)象在內(nèi)存中的形態(tài)和關(guān)系，

>>> float
<class 'float'>
>>> pi = 3.14
>>> e = 2.71
>>> type(pi) is float
True

• 兩個(gè)float實(shí)例對(duì)象都是PyFloatObject結(jié)構(gòu)體，除了公共頭部字段ob_refcnt和ob_type，專有字段ob_fval保存了對(duì)應(yīng)的數(shù)值。
• 類型對(duì)象是一個(gè)PyTypeObject結(jié)構(gòu)體，保存了類型名、內(nèi)存分配信息以及浮點(diǎn)數(shù)相關(guān)操作。實(shí)例對(duì)象的ob_type字段指向類型對(duì)象，Python 據(jù)此判斷對(duì)象類型，進(jìn)而獲悉關(guān)于對(duì)象的元信息。
• float、pi以及e等變量只是一個(gè)指向?qū)嶋H對(duì)象的指針。

上圖的內(nèi)容并不完全正確，更深入的解讀見(jiàn)后一篇博文。

到此這篇關(guān)于Python源碼學(xué)習(xí)之PyObject和PyTypeObject的文章就介紹到這了,更多相關(guān)PyObject和PyTypeObject內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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