python源碼剖析之PyObject的示例分析

這篇文章主要介紹python源碼剖析之PyObject的示例分析，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

一、Python中的對(duì)象

Python中一切皆是對(duì)象。
————Guido van Rossum(1989)

這句話只要你學(xué)過(guò)python，你就很有可能在你的Python學(xué)習(xí)之旅的前30分鐘就已經(jīng)見(jiàn)過(guò)了，但是這句話具體是什么意思呢？

一句話來(lái)說(shuō)，就是面向?qū)ο笾械摹邦?lèi)”和“對(duì)象”在Python中都是對(duì)象。類(lèi)似于int對(duì)象的類(lèi)型對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了“類(lèi)的概念”，對(duì)類(lèi)型對(duì)象“實(shí)例化”得到的實(shí)例對(duì)象實(shí)現(xiàn)了“對(duì)象”這個(gè)概念。

通常的說(shuō)法是,對(duì)象是數(shù)據(jù)以及基于這些數(shù)據(jù)的操作的集合。在計(jì)算機(jī)上,一個(gè)對(duì)象實(shí)際上就是一片被分配的內(nèi)存空間,這些內(nèi)存可能是連續(xù)的,也有可能是離散的,這都不重要,重要的是這片內(nèi)存在更高的層次上可以作為一個(gè)整體來(lái)考慮,這個(gè)整體就是一個(gè)對(duì)象。在這片內(nèi)存中,存儲(chǔ)著一系列的數(shù)據(jù)以及可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或讀取的一系列操作的代碼。

在 Python 中,對(duì)象就是在堆上申請(qǐng)的結(jié)構(gòu)體,對(duì)象不能是被靜態(tài)初始化的,并且也不能是在?？臻g上生存的。唯一的例外就是類(lèi)型對(duì)象(type object),Python中所有的類(lèi)型對(duì)象都是被靜態(tài)初始化的。在 Python 中,一個(gè)對(duì)象一旦被創(chuàng)建,它在內(nèi)存中的大小就是不變的了。 這就意味著那些需要容納可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的對(duì)象只能在對(duì)象內(nèi)維護(hù)一個(gè)指向一個(gè)可變大小的內(nèi)存區(qū)域的指針。

1.1 對(duì)象機(jī)制的基石PyObject

PyObject 和 PyVarObject分別表示定長(zhǎng)對(duì)象和變長(zhǎng)對(duì)象，使用的C的struct實(shí)現(xiàn)的，在結(jié)構(gòu)中分別只定義了 PyObject_HEAD 和 PyObject_VAR_HEAD，后者僅僅是前者加上一個(gè)表示容納元素個(gè)數(shù)的ob_size。

[object.h]
/* PyObject_HEAD defines the initial segment of every PyObject. */
#define PyObject_HEAD \
	_PyObject_HEAD_EXTRA \
	int ob_refcnt; \
	struct _typeobject *ob_type;

#define PyObject_VAR_HEAD \
	PyObject_HEAD \
	int ob_size; /* Number of items in variable part */

而對(duì)于兩者共有的PyObject_HEAD中，只有兩個(gè)東西，一個(gè)是維護(hù)引用計(jì)數(shù)的ob_refcnt和一個(gè)指向類(lèi)型對(duì)象PyTypeObject結(jié)構(gòu)體的指針。因此， Python 中實(shí)際上對(duì)象機(jī)制的核心非常的簡(jiǎn)單,一個(gè)是引用計(jì)數(shù),一個(gè)就是類(lèi)型。并且Python中每一個(gè)對(duì)象的開(kāi)始字節(jié)都是相同的頭部，這使得對(duì)Python對(duì)象的引用十分統(tǒng)一，只需要一個(gè)PyObject*可以引用任意一個(gè)對(duì)象。

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體定義的只是Python中對(duì)象共有的部分，其他的具體類(lèi)型會(huì)有額外的結(jié)構(gòu)體來(lái)定義，否則的話所有的對(duì)象豈不是都一樣了？比如int類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體定義PyIntObject中包含了PyObject_HEAD和ob_ival后者是一個(gè)long，存放具體的值。

二、類(lèi)型對(duì)象

那初始化對(duì)象的時(shí)候，去那里獲得對(duì)象的大小呢？只能是在類(lèi)型對(duì)象PyTypeObject中了！類(lèi)型對(duì)象中存放了大量對(duì)象的元信息，大小顯然是一種和對(duì)象的類(lèi)型有關(guān)的元信息！注意，一個(gè)PyObject對(duì)象就是Python中對(duì)面向?qū)ο罄碚撝蓄?lèi)這個(gè)概念的實(shí)現(xiàn)，這里面存放了類(lèi)型名、內(nèi)存空間、操作函數(shù)指針等信息。

2.1 對(duì)象的創(chuàng)建

Python會(huì)用兩種方法創(chuàng)建對(duì)象，一種是泛型API(AOL：Abstract Object Layer)，可以應(yīng)用在任何Python對(duì)象上，API內(nèi)不會(huì)有機(jī)制確定最終調(diào)用哪個(gè)具體函數(shù)，比如PyObject_New(PyObject, &PyInt_Type)。另一種是類(lèi)型相關(guān)API(COL：Concrete Object Layer)，只能應(yīng)用于具體類(lèi)型的對(duì)象上，比如PyInt_FromLong(10)。

自定義對(duì)象在Python內(nèi)部不可能存在COL，所以只能根據(jù)其類(lèi)型對(duì)象來(lái)創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象，這就需要PyTypeObject中的tp_new函數(shù)指針，如果是自定義對(duì)象，這個(gè)指針可能是空，那就通過(guò)PyTypeObject的tp_base找到類(lèi)型對(duì)象的基類(lèi)，再找tp_new指針，這個(gè)過(guò)程中會(huì)利用類(lèi)型對(duì)象中記錄的空間信息申請(qǐng)內(nèi)存。對(duì)于 Python 中的任何一種變長(zhǎng)對(duì)象,tp_itemsize 這個(gè)域是必須設(shè)置的,tp_itemsize 指明了由變長(zhǎng)對(duì)象保存的元素的單位長(zhǎng)度,所謂單位長(zhǎng)度即是指一個(gè)對(duì)象在內(nèi)存中的長(zhǎng)度。這個(gè) tp_itemsize 和ob_size 共同決定了應(yīng)該額外申請(qǐng)的內(nèi)存的總大小是多少。

內(nèi)建對(duì)象最終會(huì)使用COL完成創(chuàng)建工作。

new函數(shù)完成后，會(huì)執(zhí)行init函數(shù)，前者類(lèi)似于new操作符，后者類(lèi)似于構(gòu)造函數(shù)。

2.2 對(duì)象的行為

像前面說(shuō)的，對(duì)象的行為被類(lèi)型對(duì)象中的函數(shù)指針?biāo)x。這些操作中，有三組非常重要的操作族：tp_as_number、tp_as_sequence、tp_as_mapping分別指向PyNumberMethods、PtSequenceMethods、PyMappingMethods函數(shù)族結(jié)構(gòu)體。所謂“鴨子類(lèi)型”，就行能找到該類(lèi)型對(duì)應(yīng)的操作，就可以當(dāng)做這個(gè)類(lèi)型來(lái)用。

class MyInt(int):
    def __getitem__(self, key):
        return key+str(self)

a=MyInt(1)
b=MyInt(2)
print(a+b)
print(a['somekey'])

可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)int繼承得到的數(shù)值對(duì)象，通過(guò)重寫(xiě)魔術(shù)方法，使其支持了字典類(lèi)型的操作，其實(shí)我們可以認(rèn)為是，制定了MyInt這個(gè)類(lèi)型對(duì)象的tp_as_mapping.mp_subscript操作。

2.3 類(lèi)型的類(lèi)型

之前說(shuō)了，作為類(lèi)的實(shí)現(xiàn)的類(lèi)型對(duì)象也是Python對(duì)象，那么類(lèi)型對(duì)象PyObject的ob_type指針指向哪呢？是指向自己?jiǎn)幔?strong>盡管我一開(kāi)始也是這么想的，但可惜這個(gè)答案不對(duì)，類(lèi)型對(duì)象指向的對(duì)象是PyType_Type。這個(gè)對(duì)象在Python類(lèi)型機(jī)制中很重要，所有用戶自定義class的PyTypeObject對(duì)象都是通過(guò)這個(gè)對(duì)象創(chuàng)建的，因此他是Python中的元類(lèi)（metaclass）。他是所有class的class。而元類(lèi)的類(lèi)型是自己，這里出現(xiàn)了我們一開(kāi)始認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)的自己只想自己的情況！

i=1
class A:
    pass
a=A()
print(i.__class__) # 類(lèi)型對(duì)象
print(i.__class__.__class__) # 元類(lèi)
print(a.__class__) # 類(lèi)型對(duì)象
print(a.__class__.__class__) # 元類(lèi)
print(a.__class__.__class__.__class__) # 指向自己

留在這里的疑問(wèn)：虛線和虛線指向的對(duì)象是啥玩？

三、Python的多態(tài)性

通過(guò) PyObject 和類(lèi)型對(duì)象, Python 利用 C 語(yǔ)言完成了 C++所提供的繼承和多態(tài)的特性。一開(kāi)始已經(jīng)提到，Python中所有對(duì)象的前面幾個(gè)字節(jié)都是PyObject類(lèi)型也就是PyObject_HEAD結(jié)構(gòu)體。因此在 Python 內(nèi)部各個(gè)函數(shù)之間傳遞的都是一種范型指針PyObject*。這個(gè)指針?biāo)傅膶?duì)象究竟是什么類(lèi)型的,不知道,只能從指針?biāo)笇?duì)象的ob_type域判斷,而正是通過(guò)這個(gè)域,Python 實(shí)現(xiàn)了多態(tài)機(jī)制。

真正執(zhí)行的時(shí)候，通過(guò)找到實(shí)例對(duì)象指向的類(lèi)型對(duì)象的函數(shù)指針來(lái)執(zhí)行方法。這里同一個(gè)函數(shù)在不同情況下表現(xiàn)出了不同的行為,這正是多態(tài)的核心所在。

四、引用計(jì)數(shù)

在 Python 中,主要是通過(guò)Py_INCREF(op)和Py_DECREF(op)兩個(gè)宏來(lái)增加和減少一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)。當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減少到 0 之后, Py_DECREF將調(diào)用該對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)(deallocator function)（但是不一定真的釋放該對(duì)象所占有的內(nèi)存和系統(tǒng)資源），即類(lèi)型對(duì)象中tp_dealloc指向的函數(shù)。例外的是類(lèi)型對(duì)象，PyTypeObject是超越引用計(jì)數(shù)規(guī)則的，永遠(yuǎn)不會(huì)被析構(gòu)，每一個(gè)對(duì)象中指向類(lèi)型對(duì)象的指針不被視為對(duì)類(lèi)型對(duì)象的引用。

這有些觀察者模式（Observer）的影子，在ob_refcnt減為 0 之后,將觸發(fā)對(duì)象銷(xiāo)毀的事件;從 Python 的對(duì)象體系來(lái)看,各個(gè)對(duì)象又提供了不同的事件處理函數(shù),而事件的注冊(cè)動(dòng)作正是在各個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的類(lèi)型對(duì)象中靜態(tài)完成的。

在PyObject中我們看到ob_refcnt是一個(gè) 32 位的整形變量,這實(shí)際是一個(gè)Python所做的假設(shè),即對(duì)一個(gè)對(duì)象的引用不會(huì)超過(guò)一個(gè)整形變量的最大值。

五、Python對(duì)象的分類(lèi)

python主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

1、云計(jì)算，典型應(yīng)用OpenStack。2、WEB前端開(kāi)發(fā)，眾多大型網(wǎng)站均為Python開(kāi)發(fā)。3.人工智能應(yīng)用，基于大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)而發(fā)展出來(lái)的人工智能本質(zhì)上已經(jīng)無(wú)法離開(kāi)python。4、系統(tǒng)運(yùn)維工程項(xiàng)目，自動(dòng)化運(yùn)維的標(biāo)配就是python+Django/flask。5、金融理財(cái)分析，量化交易，金融分析。6、大數(shù)據(jù)分析。

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