Python内部机制-PyObject对象

PyObject对象机制的基石

学过Python的人应该非常清晰，Python中一切都是对象，全部的对象都有一个共同的基类，对于本篇博文来说，一切皆是对象则是探索Python的对象机制的一个入口点．我如果读者在阅读本文的时候已经下载Python(Python-2.7.11)的源代码，而且已经解压进入了源代码的根文件夹下．众所周知Python是用C实现的，C是一种OO的语言。而Python是一个OOP的语言，那么怎样在C语言层面实现OOP，实现多态，这是一个有意思的话题，这也是本文须要进行探索的点．Python内部使用了一个PyObject结构体来保存全部对象共同的数据成员，以及实现GC机制所须要的一些辅助字段等．所以能够说PyObject就是Python对象机制的基石。这毫不为过．那么让我们进入到源代码中．透过源代码看看Python中的对象究竟是个啥？

PyObject对象　

typedef struct _object {
    PyObject_HEAD          
} PyObject;      

./Include/object.h

异常的简单，这一切都要归功于PyObject_HEAD宏，C语言中的宏是把双刃剑．看看PyObject_HEAD长什么样吧

#define PyObject_HEAD                   \
    _PyObject_HEAD_EXTRA                \
    Py_ssize_t ob_refcnt;               \
    struct _typeobject *ob_type;        

./Include/object.h

初看起来。还是不easy理解的，只是经验告诉我_PyObject_HEAD_EXTRA这个宏能够不用管。由于这是以下划线开头的，这类变量一般都是内部使用．为此我找到这个宏验证了我的想法．

/* Py_DEBUG implies Py_TRACE_REFS. */   
#if defined(Py_DEBUG) && !defined(Py_TRACE_REFS)
#define Py_TRACE_REFS       
#endif                      

/* Py_TRACE_REFS implies Py_REF_DEBUG. */         
#if defined(Py_TRACE_REFS) && !defined(Py_REF_DEBUG)
#define Py_REF_DEBUG        
#endif                      

//注意看这里,仅仅有定义了Py_TRACE_REFS这个宏_PyObject_HEAD_EXTRA才不是空.
//而Py_TRACE_REFS这个宏仅仅有在Py_DEBUG有定义的情况下才会定义，可想而知 _PyObject_HEAD_EXTRA仅仅有在DEBUG模式
//才有意义，否则就是一个空．            
#ifdef Py_TRACE_REFS        
/* Define pointers to support a doubly-linked list of all live heap objects. */
#define _PyObject_HEAD_EXTRA            \
    struct _object *_ob_next;           \
    struct _object *_ob_prev;

#define _PyObject_EXTRA_INIT 0, 0,                       
#else
#define _PyObject_HEAD_EXTRA
#define _PyObject_EXTRA_INIT
#endif 

./Include/object.h

_PyObject_HEAD_EXTRA我们能够略过不看了，这个宏的作用仅仅是在DEBUG模式下，将全部的对象使用双链表链起来方便DEBUG而已．去掉_PyObject_HEAD_EXTRA后再来看看PyObject长啥样吧．

typedef struct _object {
    Py_ssize_t ob_refcnt;               \
    struct _typeobject *ob_type;        
} PyObject;   

./Include/object.h

异常的清晰是不是，Py_ssize_t仅仅只是是对C语言的基本类型的一个typedef而已，这里能够觉得就是ssize_t类型了，ob_refcnt指的就是上文中说的GC机制须要的辅助字段用于维护当前对象的引用个数，ob_type是个啥呢?，这个东西说简单点就是指明当前对象是何种类型．后面会单独拿出来具体的介绍，接下来看下怎样使用PyObject来搭建整个Python的对象机制，以下是int对象的底层表示:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    long ob_ival;
} PyIntObject

./Include/intobject.h

包括了PyObject，除此之外包括了一些这些对象特有的一些数据成员，比方这里的ob_ival。就是用来保存int对象的具体数值的．那么String对象可想而知应该有一个char*的指针指向一段heap的内存空间，还须要有一个数据成员来保存当前的String的字符个数，那么list对象呢?，dict对象呢?，细想一下这些对象都应该包括一个指明当前对象包括的元素的个数的数据成员，好吧，这里我们找到了一些共同点。到这里产生了一个技术问题的抉择了，int对象不须要有指明当前对象包括元素个数的数据成员，而string对象，list对象，dict对象都须要有，那么这个数据成员应该放在PyObject中，还是归为每一个对象自己特有的数据成员呢?，Python选择了前者将这个数据成员放到了PyObject中。但又没全然这样做．这一切都归功于Python中的另外一个概念，可变对象和不可变对象.以下通过源代码我们来看看Python究竟是怎么做的

PyVarObject对象

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
} PyVarObject;

./Include/object.h

弄了一个PyVarObject对象出来了，事实上这是一个所谓的纸老虎。打开PyObject_VAR_HEAD这个宏你就会发现真相原来是这样．

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

./Include/object.h

又是异常的简单。就是在原有的PyObject基础上加了一个ob_size成员，用来指明当前对象所拥有的元素个数．可是有一个须要注意就是ob_size数据成员的位置仅仅能在PyObject_HEAD以下，目的是为了能够通过PyObject强制转换成不论什么一个对象．如果你不明确，那么来张图看看．

回到Python

源代码看完了，是不是有点想大展宏图的冲动。可惜依照我们眼下的水平。相对Python做些什么恐怕还不够格。只是我们能够利用Python来验证下我们读源代码的收获．通过上文分析的PyObject，还有PyIntObject。我们来计算一下一个PyIntObject大小。

typedef struct {
    Py_ssize_t ob_refcnt;
    struct _typeobject *ob_type;        
    long ob_ival;
} PyIntObject

一个ob_refcnt这是一个ssize_t类型，64为系统下是8个字节，一个ob_type是个指针，在64位系统下相同也是8个字节，一个long类型在64位系统下相同也是8个字节所以算起来一个PyIntObject是24个字节，回到Python中我们来验证一下:

>>> import sys
>>> inttype = 1
>>> sys.getsizeof(inttype)
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