CPython-对象/类型系统

　　Python中一切皆对象，包括实例对象和类型对象，如整数、浮点数、字符串是实例对象，整数类型、浮点数类型、字符串类型是类型对象。

# [Python]
>>> n=10

>>> type(n)

<type 'int'>

>>> type(int)

<type 'type'>

>>> sys.getsizeof(n)
20
>>> sys.getsizeof(int)
444
>>>

　　如演示代码所示，整数对象(n)的类型是int(整数类型)，整数类型对象的类型是type(类型对象)；其中整数对象占用20字节内存，而整数类型对象占用444字节内存[这些数值取决于测试所使用的设备和系统]。

　　看到占用内存的数值大小，一定会非常好奇这些内存用来做什么，后面会贴源码来进行说明。对象是数据以及基于这些数据的操作的集合，在Python中对象一旦被创建，其在内存中的大小就固定不变。

　　PyObject

　　PyObject是对象系统的核心，所有的对象都包含这部分数据。它主要包括：用于内存管理的引用计数(ob_refcnt)、类型对象指针(ob_type)、堆内存中对象管理用的双向链表指针(_ob_next, _ob_prev)[总共16字节]。

　　其中ob_type指向对象所属的类型对象，而类型对象是有定义操作集合的，所以在运行时通过ob_type找到合适的操作(函数调用)，实现了Python的动态机制。

// [C]

typedef struct _object {

    struct _object *_ob_next;

    struct _object *_ob_prev;

    Py_ssize_t ob_refcnt;

    struct _typeobject *ob_type;

} PyObject;

　　PyVarObject

　　同一类型的对象占用的内存大小并非相同的，如字符串对象，依据字符串长度占用的内存大小不同，所以这种变长对象用PyVarObject结构体来表示。当然也有一些类型对象是定长的，如整数对象、浮点数对象。

// [C]

typedef struct {

    PyObject_HEAD // PyObject数据部分

    Py_ssize_t ob_size; // 大小

} PyVarObject;

　　相对于PyObject，定长对象只增加了变长对象的大小字段(ob_size)。

　　PyObject和PyVarObject的数据中，都有指向类型对象的指针，类型对象是_typeobject结构体，即PyTypeObject。

　　PyTypeObject

　　类型对象也包含实例对象的数据部分(引用计数、类型对象指针，对象双链表指针)，它包含的更多字段是适用于此类型的操作。比如：

　　标准操作：释放内存(tp_dealloc)、打印(tp_print)、获取属性(tp_getattr)、设置属性(tp_setattr)、比较(tp_compare)。

　　数值对象操作集合(tp_as_number)、序列对象操作集合(tp_as_sequence)、关联对象操作集合(tp_as_mapping)等[限于篇幅省略了很多字段]。

// [C]

typedef struct _typeobject {

    PyObject_VAR_HEAD

    const char *tp_name; // 类型名

    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; // 内存分配

    // 标准操作

    destructor tp_dealloc;

    printfunc tp_print;

    getattrfunc tp_getattr;

    setattrfunc tp_setattr;

    cmpfunc tp_compare;

    reprfunc tp_repr;

    PyNumberMethods *tp_as_number; // 数值对象应该支持的操作

    PySequenceMethods *tp_as_sequence; // 序列对象应该支持的操作

    PyMappingMethods *tp_as_mapping; // 关联对象应该支持的操作

    ...

} PyTypeObject;

　　注：像cmpfunc是定义的函数指针，其它的函数指针也有类似的定义。

　　　　typedef int (*cmpfunc)(PyObject *, PyObject *); // 比较两个PyObject对象的函数指针

　　在Python中，一般来说对象是不能被静态初始化的也不能在栈空间生存。但内建的类型对象都是被静态初始化的，如PyInt_Type、PyFloat_Type、PyString_Type等，其中PyInt_Type的初始化代码如下：

// [C]

PyTypeObject PyInt_Type = {

    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)　　  // ob_type == &PyType_Type

    "int",

    sizeof(PyIntObject),

    0,

    (destructor)int_dealloc,                    /* tp_dealloc */

    (printfunc)int_print,                       /* tp_print */

    0,                                          /* tp_getattr */

    0,                                          /* tp_setattr */

    (cmpfunc)int_compare,                       /* tp_compare */

    (reprfunc)int_to_decimal_string,            /* tp_repr */

    &int_as_number,                             /* tp_as_number */

    ...

};

　　注：PyType_Type是类型的类型。

　　说完了内建类型，那自定义类型在Python是如何表示的呢？

　　自定义class演示代码如下：

# [Python]

>>> class A(object):

...     def __init__(self):

...             pass

...

>>> A.__class__

<type 'type'>

>>> type.__class__

<type 'type'>

　　可以看到自定义class的类型对象是PyType_Type，即用PyType_Type对象来创建自定义类型对象。

　　PyType_Type的初始化代码如下：

// [C]

PyTypeObject PyType_Type = {

    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)      // ob_type == &PyType_Type

    "type",                                     /* tp_name */

    sizeof(PyHeapTypeObject),                   /* tp_basicsize */

    sizeof(PyMemberDef),                        /* tp_itemsize */

    (destructor)type_dealloc,                   /* tp_dealloc */

    0,                                          /* tp_print */

    0,                                          /* tp_getattr */

    0,                                          /* tp_setattr */

    0,                                          /* tp_compare */

    (reprfunc)type_repr,                        /* tp_repr */

    0,                                          /* tp_as_number */

    ...

};

　　自此把实例对象、类型对象基本讲清楚了，至于具体类型的特性、操作则需要后续再具体讲解。

巴特西

CPython-对象/类型系统

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