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Python 中的对象概述

小致Daddy
 小致Daddy
发布于 2016/07/14 21:39
字数 958
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在 Python 的世界中,一切皆对象。 int / list / dict / … 都是对象,除此之外,函数、类本身也是对象,那么,这些对象究竟是什么呢?

从结果看,Python 中的对象是 C 语言中结构体在堆上申请的一片内存区域。而在具体实现上,这里先简单描述一下。
屏幕快照 2016-07-09 01.16.10.png

万物基于 MIUI: PyObject

在 Python 中,所有对象都共有一些特性,这些特性定义在 PyObject 中。PyObject 定义在Include/object.h 中:

#define PyObject_HEAD                   \
    _PyObject_HEAD_EXTRA                \
    Py_ssize_t ob_refcnt;               \
    struct _typeobject *ob_type;
 
typedef struct _object {
    PyObject_HEAD
} PyObject;

简化后即为:

typedef struct _object {
    int ob_refcnt;               
    struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;

在 PyObject 中,ob_refcnt 用以记录对象的引用数(与引用计数的内存回收相关,这里暂且不表),当有新的指针指向某对象时,ob_refcnt 的值加 1, 当指向某对象的指针删除时,ob_refcnt 的值减 1,当其值为零的时候,则可以将该对象从堆中删除(事实上并不会立即删除,这里暂且不表)。除了 ob_refcnt 之外,还有一个 指向 _typeobject 指针 ob_type。这个结构体用于表示对象类型。跳过 _typeobject,可以发现, Python 对象的核心在于一个引用计数和一个类型信息。

PyObject 定义的内容会出现在每个对象所占内存的开始部分。


定长对象与变长对象

在 Python 中,除了 bool float 这样的定长对象(一旦确定下来需要的内存,便不再有改动),还有另外一种对象:长度可变的对象。这种对象在 Python 的实现中通过 PyVarObject 结构体来表示:

#define PyObject_VAR_HEAD               \
    PyObject_HEAD                       \
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
 
typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
} PyVarObject;

事实上,就是在 PyObject 的基础上,多了一个 ob_size 变量,用以标识对象的长度(是长度,不是内存占用)。也就是说,其实 PyVarObject 就是 PyObject 的一个拓展,于是,在 Python 中,所有的对象都可以通过 PyObject * 指针来引用,这一点非常重要,它使得很多操作变得统一(这篇博客暂不详述)。

由此,Python 中所有对象在实现的时候,内存无非如下两种情况:

 定长对象              变长对象
+-----------+       +-----------+
| ob_refcnt |       | ob_refcnt |
+-----------+       +-----------+
|  ob_type  |       |  ob_type  |
+-----------+       +-----------+
|           |       |  ob_size  |
|           |       +-----------+
|   other   |       |           |
|           |       |   other   |
|           |       |           |
+-----------+       +-----------+

道生一:PyTypeObject

在描述 PyObject 的时候,提到了一个 _typeobject 结构体。那么,它是干什么的呢?想象一下,一个对象在创建的时候需要多少内存、这个对象的类名是什么等等信息,又是如何记录和区分的呢?

_typeobject(也就是PyTypeObject)可以被称之为“指定对象类型的类型对象”,其定义如下:

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name; /* For printing, in format "." */
    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */
 
    // ...... 省略部分暂时不关心的内容
 
} PyTypeObject;

可以理解为,PyTypeObject 对象是 Python 中面向对象理念中“类”这个概念的实现,这里只是简单介绍其定义中的部分内容:

  • ty_name:类型名
  • tp_basicsize, tp_itemsize:创建类型对象时分配的内存大小信息
  • 被省略掉的部分:与该类型关联的操作(函数指针)

这里只是简单描述,上面的内容有些偏颇,暂不必过分深究。

再看一眼 PyTypeObject 的定义,可以发现在最开始也有一个 PyObject_VAR_HEAD,这意味着它也是一个对象。那么,PyTypeObject 既然是指示类型的对象,那么它的类型又是什么呢?答案是 PyType_Type

PyTypeObject PyType_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "type",                                     /* tp_name */
    sizeof(PyHeapTypeObject),                   /* tp_basicsize */
    sizeof(PyMemberDef),                        /* tp_itemsize */
    (destructor)type_dealloc,                   /* tp_dealloc */
    // ...... 省略了部分内容
};

事实上,它就是 Python 语言中的 type 对象就是 PyType_Type,它是所有 class 的 class,在 Python 中叫做 metaclass。其实,在实现中它的 ob_type 指针又指向了自己本身,既是:

  PyType_Type
+-----------+

小结

简单概述了 Python 中的对象的最模糊的概念。

© 著作权归作者所有

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