Python源码分析：PyObject对象的起源与多态的实现

Posted 2020-10-10

在python中一切皆是对象，那么这种机制是如何实现的呢？下面就让我们从python的老巢“源码”来看看这个神秘的机制。

typedef struct _object {

PyObject_HEAD

 } PyObject;

 

typedef struct {

PyObject_VAR_HEAD

} PyVarObject;

 

看到上面这两个结构体了吗？它们就是万源之源，所有python对象的祖先，为什么有两个祖先呢？这就要从现实时间的数据对象谈起，我们有些数据，像数字、固定矩阵这类数据其元素个数是固定不变的，而像字符串、集合、字典这类数据其元素个数是会上下浮动的。这样python的发明者在设计python时就为这两类数据创造了两个祖先（像人有男人与女人一样，好像不太确切，但本质就是有两个祖先了）：定长数据类型与变长数据类型。

这两个结构体里面的两个变量，其实都是些宏。从源中我们可以找到这些宏的展开：

#define PyObject_HEAD \

_PyObject_HEAD_EXTRA \

Py_ssize_t ob_refcnt; \

 

struct _typeobject *ob_type;

#define PyObject_VAR_HEAD \

PyObject_HEAD \

Py_ssize_t ob_size;

看得出来，类型多了的这个ob_size就说明了它的变长特性（元素的个数）。

下面我们来仔细看看PyObject_HEAD这个宏的内容：

_PyObject_HEAD_EXTRA：这个宏展开时要么是双向链表的前后指针要么是空，是在跟踪所有对象时使用：想像一下，一个双向链表把python所有的对象串联起来的场景，好宏大呀！

ob_refcnt：这个属性记录该对象被他人引用的次数（后面发现，这个东西是用来进行内存管理的：引用计数式的垃圾回收机制）

ob_type：这个玩意是个重头戏，它实现了python的多态（何谓多态：对于不同的类型的对象，相同名称的方法其表现行为不同），何以见得呢？下面就让我们重点分析下这个ob_type，首先看看ob_type的原型是什么：

typedef struct _typeobject {

PyObject_VAR_HEAD

const char *tp_name;

Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize;

printfunc tp_print;

。。。

 

PyNumberMethods *tp_as_number;

PySequenceMethods *tp_as_sequence;

PyMappingMethods *tp_as_mapping;

。。。

} PyTypeObject;

这个结构体在源代码中整整占了84行，天呢！它是个什么，这么多内容。我们重点看几个字段：

PyObject_VAR_HEAD

：嗯，这不是变长数据类型它老祖先里的头‘骨’吗？怎么这里还有呢？没错，你猜对了，我们指明某个对象类型的对象原型 PyTypeObject也是一个对象。至于为什么是变长类型的对象祖先的头’骨‘，还没搞清楚^0^。

tp_print：多态的内部原理开始显露了吧！就是通过这个type对象来为具体不同的对象提供不同的方法实现，尽量方法名字都一样。

PyNumberMethods，PySequenceMethods，PyMappingMethods：其实和上面这个tp_print一样，只不它们是个函数族（由函数集构成）,类数字操作（比如支持+-×/）、类序列操作（比如[n:m]切片操作）、字典操作（比如dict[key]操作）。

下面就int类型对象对上面这些原理进行验证：

typedef struct {

PyObject_HEAD

long ob_ival;

} PyIntObject;

这就是我们的int类型对象，其头部呢？在python源中可以看出，用一系列宏来实现头部的初始化：

#define PyObject_HEAD_INIT(type) \

_PyObject_EXTRA_INIT \

1, type,

这里的type，从源码中看出，有一个PyType_Type类型，它就是那个描述类型的类型的对象。有点绕了，但是仔细理解下来，也没什么，无外乎：一个int数据，有一个专门描述int类型数据的类型对象，但是不光有int类型的类型对象还有string类型的类型对象。那么就需要有一个要对象来描述这些类型对象，这就是PyType_Type，也就是它可以测试一个对象是不是类型对象。