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這篇文章給大家分享的是有關(guān)Python中二元算術(shù)運(yùn)算的案例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的,因此分享給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧。
大家對我解讀屬性訪問的博客文章反應(yīng)熱烈,這啟發(fā)了我再寫一篇關(guān)于 Python 有多少語法實(shí)際上只是語法糖的文章。在本文中,我想談?wù)劧阈g(shù)運(yùn)算。
具體來說,我想解讀減法的工作原理:a - b
。我故意選擇了減法,因?yàn)樗遣豢山粨Q的。這可以強(qiáng)調(diào)出操作順序的重要性,與加法操作相比,你可能會在實(shí)現(xiàn)時誤將 a 和 b 翻轉(zhuǎn),但還是得到相同的結(jié)果。
按照慣例,我們從查看 CPython 解釋器編譯的字節(jié)碼開始。
>>> def sub(): a - b... >>> import dis>>> dis.dis(sub) 1 0 LOAD_GLOBAL 0 (a) 2 LOAD_GLOBAL 1 (b) 4 BINARY_SUBTRACT 6 POP_TOP 8 LOAD_CONST 0 (None) 10 RETURN_VALUE復(fù)制代碼
看起來我們需要深入研究 BINARY_SUBTRACT 操作碼。翻查 Python/ceval.c 文件,可以看到實(shí)現(xiàn)該操作碼的 C 代碼如下:
case TARGET(BINARY_SUBTRACT): { PyObject *right = POP(); PyObject *left = TOP(); PyObject *diff = PyNumber_Subtract(left, right); Py_DECREF(right); Py_DECREF(left); SET_TOP(diff); if (diff == NULL) goto error; DISPATCH(); }復(fù)制代碼
來源:github.com/python/cpyt…
這里的關(guān)鍵代碼是PyNumber_Subtract(),實(shí)現(xiàn)了減法的實(shí)際語義。繼續(xù)查看該函數(shù)的一些宏,可以找到binary_op1() 函數(shù)。它提供了一種管理二元操作的通用方法。
不過,我們不把它作為實(shí)現(xiàn)的參考,而是要用Python的數(shù)據(jù)模型,官方文檔很好,清楚介紹了減法所使用的語義。
通讀數(shù)據(jù)模型的文檔,你會發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)減法時,有兩個方法起到了關(guān)鍵作用:__sub__ 和 __rsub__。
當(dāng)執(zhí)行a - b
時,會在 a 的類型中查找__sub__(),然后把 b 作為它的參數(shù)。這很像我寫屬性訪問的文章 里的__getattribute__(),特殊/魔術(shù)方法是根據(jù)對象的類型來解析的,并不是出于性能目的而解析對象本身;在下面的示例代碼中,我使用_mro_getattr() 表示此過程。
因此,如果已定義 __sub__(),則 type(a).__sub__(a,b) 會被用來作減法操作。(譯注:魔術(shù)方法屬于對象的類型,不屬于對象)
這意味著在本質(zhì)上,減法只是一個方法調(diào)用!你也可以將它理解成標(biāo)準(zhǔn)庫中的 operator.sub() 函數(shù)。
我們將仿造該函數(shù)實(shí)現(xiàn)自己的模型,用 lhs 和 rhs 兩個名稱,分別表示 a-b 的左側(cè)和右側(cè),以使示例代碼更易于理解。
# 通過調(diào)用__sub__()實(shí)現(xiàn)減法 def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: """Implement the binary operation `a - b`.""" lhs_type = type(lhs) try: subtract = _mro_getattr(lhs_type, "__sub__") except AttributeError: msg = f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {type(rhs)!r}" raise TypeError(msg) else: return subtract(lhs, rhs)復(fù)制代碼
但是,如果 a 沒有實(shí)現(xiàn)__sub__() 怎么辦?如果 a 和 b 是不同的類型,那么我們會嘗試調(diào)用 b 的 __rsub__()(__rsub__ 里面的“r”表示“右”,代表在操作符的右側(cè))。
當(dāng)操作的雙方是不同類型時,這樣可以確保它們都有機(jī)會嘗試使表達(dá)式生效。當(dāng)它們相同時,我們假設(shè)__sub__() 就能夠處理好。但是,即使兩邊的實(shí)現(xiàn)相同,你仍然要調(diào)用__rsub__(),以防其中一個對象是其它的(子)類。
現(xiàn)在,表達(dá)式雙方都可以參與運(yùn)算!但是,如果由于某種原因,某個對象的類型不支持減法怎么辦(例如不支持 4 - “stuff”)?在這種情況下,__sub__ 或__rsub__ 能做的就是返回 NotImplemented。
這是給 Python 返回的信號,它應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行下一個操作,嘗試使代碼正常運(yùn)行。對于我們的代碼,這意味著需要先檢查方法的返回值,然后才能假定它起作用。
# 減法的實(shí)現(xiàn),其中表達(dá)式的左側(cè)和右側(cè)均可參與運(yùn)算_MISSING = object()def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: # lhs.__sub__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, "__sub__") except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__rsub__ (for knowing if rhs.__rub__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, "__rsub__") except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__rsub__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, "__rsub__") except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: raise TypeError( f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}" )復(fù)制代碼
如果你看一下__rsub__() 的文檔,就會注意到一條注釋。它說如果一個減法表達(dá)式的右側(cè)是左側(cè)的子類(真正的子類,同一類的不算),并且兩個對象的__rsub__() 方法不同,則在調(diào)用__sub__() 之前會先調(diào)用__rsub__()。換句話說,如果 b 是 a 的子類,調(diào)用的順序就會被顛倒。
這似乎是一個很奇怪的特例,但它背后是有原因的。當(dāng)你創(chuàng)建一個子類時,這意味著你要在父類提供的操作上注入新的邏輯。這種邏輯不一定要加給父類,否則父類在對子類操作時,就很容易覆蓋子類想要實(shí)現(xiàn)的操作。
具體來說,假設(shè)有一個名為 Spam 的類,當(dāng)你執(zhí)行 Spam() - Spam() 時,得到一個 LessSpam 的實(shí)例。接著你又創(chuàng)建了一個 Spam 的子類名為 Bacon,這樣,當(dāng)你用 Spam 去減 Bacon 時,你得到的是 VeggieSpam。
如果沒有上述規(guī)則,Spam() - Bacon() 將得到 LessSpam,因?yàn)?Spam 不知道減掉 Bacon 應(yīng)該得出 VeggieSpam。
但是,有了上述規(guī)則,就會得到預(yù)期的結(jié)果 VeggieSpam,因?yàn)?Bacon.__rsub__() 首先會在表達(dá)式中被調(diào)用(如果計(jì)算的是 Bacon() - Spam(),那么也會得到正確的結(jié)果,因?yàn)槭紫葧{(diào)用 Bacon.__sub__(),因此,規(guī)則里才會說兩個類的不同的方法需有區(qū)別,而不僅僅是一個由 issubclass() 判斷出的子類。)
# Python中減法的完整實(shí)現(xiàn)_MISSING = object()def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: # lhs.__sub__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, "__sub__") except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__rsub__ (for knowing if rhs.__rub__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, "__rsub__") except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__rsub__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, "__rsub__") except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if ( rhs_type is not _MISSING # Do we care? and rhs_type is not lhs_type # Could RHS be a subclass? and issubclass(rhs_type, lhs_type) # RHS is a subclass! and lhs_rmethod is not rhs_method # Is __r*__ actually different? ): calls = call_rhs, call_lhs elif lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: raise TypeError( f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}" )復(fù)制代碼
解決掉了減法運(yùn)算,那么其它二元運(yùn)算又如何呢?好吧,事實(shí)證明它們的操作相同,只是碰巧使用了不同的特殊/魔術(shù)方法名稱。
所以,如果我們可以推廣這種方法,那么我們就可以實(shí)現(xiàn) 13 種操作的語義:+ 、-、*、@、/、//、%、**、<<、>>、&、^、和 |。
由于閉包和 Python 在對象自省上的靈活性,我們可以提煉出 operator 函數(shù)的創(chuàng)建。
# 一個創(chuàng)建閉包的函數(shù),實(shí)現(xiàn)了二元運(yùn)算的邏輯_MISSING = object()def _create_binary_op(name: str, operator: str) -> Any: """Create a binary operation function. The `name` parameter specifies the name of the special method used for the binary operation (e.g. `sub` for `__sub__`). The `operator` name is the token representing the binary operation (e.g. `-` for subtraction). """ lhs_method_name = f"__{name}__" def binary_op(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: """A closure implementing a binary operation in Python.""" rhs_method_name = f"__r{name}__" # lhs.__*__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, lhs_method_name) except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__r*__ (for knowing if rhs.__r*__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, rhs_method_name) except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__r*__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, rhs_method_name) except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if ( rhs_type is not _MISSING # Do we care? and rhs_type is not lhs_type # Could RHS be a subclass? and issubclass(rhs_type, lhs_type) # RHS is a subclass! and lhs_rmethod is not rhs_method # Is __r*__ actually different? ): calls = call_rhs, call_lhs elif lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: exc = TypeError( f"unsupported operand type(s) for {operator}: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}" ) exc._binary_op = operator raise exc復(fù)制代碼
有了這段代碼,你可以將減法運(yùn)算定義為 _create_binary_op(“sub”, “-”),然后根據(jù)需要重復(fù)定義出其它運(yùn)算。
感謝各位的閱讀!關(guān)于Python中二元算術(shù)運(yùn)算的案例分析就分享到這里了,希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助,讓大家可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯,可以把它分享出去讓更多的人看到吧!
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