第Python對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)源碼學(xué)習(xí)目錄1.PyObject：對(duì)象的基石2.PyVarObject：變長(zhǎng)對(duì)象的基礎(chǔ)2.1浮點(diǎn)對(duì)象2.2列表對(duì)象3.PyTypeObject：類(lèi)型的基石4.PyType_Type：類(lèi)型的類(lèi)型5.PyBaseObject_Type：類(lèi)型之基6.補(bǔ)充在Python源碼學(xué)習(xí)筆記：Python萬(wàn)物皆對(duì)象中，我們對(duì)Python的對(duì)象類(lèi)型體系有了一定的認(rèn)識(shí)，這篇博客將從源碼層面來(lái)介紹Python中萬(wàn)物皆對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)。

1.PyObject：對(duì)象的基石

在Python解釋器的C層面，一切對(duì)象都是以PyObject為基礎(chǔ)的

C源碼如下：

typedefstruct_object{

_PyObject_HEAD_EXTRA

Py_ssize_tob_refcnt;

PyTypeObject*ob_type;

}PyObject;

源碼解讀：

_PyObject_HEAD_EXTRA：主要用于實(shí)現(xiàn)雙向鏈表（分析源碼時(shí)暫時(shí)忽略）

ob_refcnt：引用計(jì)數(shù)，用于垃圾回收機(jī)制，當(dāng)這個(gè)參數(shù)減少為0時(shí)即代表對(duì)象要被刪除了（Py_ssize_t當(dāng)作int或long即可，感興趣的話(huà)可以去看下它的定義）

ob_type：類(lèi)型指針，指向?qū)ο蟮念?lèi)型對(duì)象（PyTypeObject，稍后介紹），類(lèi)型對(duì)象描述實(shí)例對(duì)象的數(shù)據(jù)及行為。如PyLongObject的ob_type指向的就是PyLong_Type

2.PyVarObject：變長(zhǎng)對(duì)象的基礎(chǔ)

PyVarObject與PyObject相比只多了一個(gè)屬性ob_size，它指明了邊長(zhǎng)對(duì)象中有多少個(gè)元素

C源碼如下：

typedefstruct{

PyObjectob_base;

Py_ssize_tob_size;/*Numberofitemsinvariablepart*/

}PyVarObject;

定長(zhǎng)對(duì)象和變長(zhǎng)對(duì)象的大致結(jié)構(gòu)圖示如下：

宏定義：對(duì)于具體對(duì)象，視其大小是否固定，需要包含頭部PyObject或PyVarObject，為此，頭文件準(zhǔn)備了兩個(gè)宏定義，方便其他對(duì)象使用：

#definePyObject_HEADPyObjectob_base;

#definePyObject_VAR_HEADPyVarObjectob_base;

2.1浮點(diǎn)對(duì)象

這里簡(jiǎn)單的以浮點(diǎn)對(duì)象作為定長(zhǎng)對(duì)象的例子，介紹一下相關(guān)概念，后續(xù)會(huì)詳細(xì)分析float對(duì)象的源碼。

對(duì)于大小固定的浮點(diǎn)對(duì)象，需要在PyObject頭部的基礎(chǔ)上，用一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)double加以實(shí)現(xiàn)：

typedefstruct{

PyObject_HEAD

doubleob_fval;

}PyFloatObject;

圖示如下：

2.2列表對(duì)象

這里簡(jiǎn)單的以列表對(duì)象作為變長(zhǎng)對(duì)象的例子，介紹一下相關(guān)概念，后續(xù)會(huì)詳細(xì)分析list對(duì)象的源碼。

對(duì)于大小不固定的列表對(duì)象，需要在PyVarObject頭部的基礎(chǔ)上，用一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組加以實(shí)現(xiàn)，數(shù)組存儲(chǔ)了列表包含的對(duì)象的指針，即PyObject指針：

typedefstruct{

PyObject_VAR_HEAD

PyObject**ob_item;

Py_ssize_tallocated;

}PyListObject;

源碼解讀：

ob_item：指向動(dòng)態(tài)數(shù)組的指針，數(shù)組中保存元素對(duì)象指針

allocated：動(dòng)態(tài)數(shù)組的總長(zhǎng)度，即列表當(dāng)前的容量

ob_size：當(dāng)前元素個(gè)數(shù)，即列表當(dāng)前的長(zhǎng)度（這里的長(zhǎng)度是指：列表包含n個(gè)元素，則長(zhǎng)度為n）

圖示如下：

3.PyTypeObject：類(lèi)型的基石

問(wèn)題：不同類(lèi)型的對(duì)象所需存儲(chǔ)空間不同，創(chuàng)建對(duì)象時(shí)從哪得知存儲(chǔ)信息呢？以及如何判斷一個(gè)給定對(duì)象支持哪些操作呢？

注意到，PyObject結(jié)構(gòu)體中包含一個(gè)指針ob_type，指向的就是類(lèi)型對(duì)象，其中就包含了上述問(wèn)題所需要的信息

C源碼如下：（只列出了部分，后續(xù)會(huì)結(jié)合具體類(lèi)型進(jìn)行分析）

typedefstruct_typeobject{

PyObject_VAR_HEAD

constchar*tp_name;/*Forprinting,informat"module.name"*/

Py_ssize_ttp_basicsize,tp_itemsize;/*Forallocation*/

/*Methodstoimplementstandardoperations*/

destructortp_dealloc;

printfunctp_print

getattrfunctp_getattr;

setattrfunctp_setattr;

//...

/*Attributedescriptorandsubclassingstuff*/

PyObject*tp_bases;

//...

}PyTypeObject;

源碼解讀：

PyObject_VAR_HEAD表示PyTypeObject是變長(zhǎng)對(duì)象

tp_name：類(lèi)型名稱(chēng)

tp_basicsize、tp_itemsize：創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象時(shí)所需的內(nèi)存信息

tp_print、tp_getattr等：表示該類(lèi)型支持的相關(guān)操作信息

tp_bases：指向基類(lèi)對(duì)象，表示類(lèi)型的繼承信息

PyTypeObject就是類(lèi)型對(duì)象在C層面的表示形式，對(duì)應(yīng)面向?qū)ο笾蓄?lèi)的概念，其中保存著對(duì)象的元信息（即一類(lèi)對(duì)象的操作、數(shù)據(jù)等）。

下面以浮點(diǎn)類(lèi)型為例，列出了PyFloatObject和PyTypeObject之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖示：（其中兩個(gè)浮點(diǎn)實(shí)例對(duì)象都是PyFloatObject結(jié)構(gòu)體，浮點(diǎn)類(lèi)型對(duì)象float是一個(gè)PyTypeObject結(jié)構(gòu)體變量）

由于浮點(diǎn)類(lèi)型對(duì)象唯一，在C語(yǔ)言層面作為一個(gè)全局變量靜態(tài)定義即可。C源碼如下：（只列出了部分）

PyTypeObjectPyFloat_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"float",

sizeof(PyFloatObject),

(destructor)float_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

(reprfunc)float_repr,/*tp_repr*/

//...

源碼解讀：

第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)：初始化了ob_refcnt、ob_type、ob_sie三個(gè)字段，其中ob_type指向了PyType_Type（稍后會(huì)繼續(xù)介紹，它就是type），即：float的類(lèi)型是type

第三行float：將tp_name字段初始化為類(lèi)型名稱(chēng)float

4.PyType_Type：類(lèi)型的類(lèi)型

通過(guò)PyFloat_Type的ob_type字段，我們找到了type所對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言層面結(jié)構(gòu)體變量：PyType_Type，C源碼如下：（只列出了部分）

PyTypeObjectPyType_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"type",/*tp_name*/

sizeof(PyHeapTypeObject),/*tp_basicsize*/

sizeof(PyMemberDef),/*tp_itemsize*/

(destructor)type_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

(reprfunc)type_repr,/*tp_repr*/

//...

內(nèi)建類(lèi)型和自定義類(lèi)對(duì)應(yīng)的PyTypeObject對(duì)象都是通過(guò)這個(gè)PyType_Type創(chuàng)建的。在第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)中，PyType_Type把自己的ob_type字段設(shè)置成了它自己，即type的類(lèi)型是type

把PyType_Type加入到結(jié)構(gòu)圖中，圖示如下：

5.PyBaseObject_Type：類(lèi)型之基

object是另外一個(gè)特殊的類(lèi)型，它是所有類(lèi)型的基類(lèi)。如果要找到object對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，我們可以通過(guò)PyFloat_Type的tp_base字段來(lái)尋找，因?yàn)樗赶虻木褪莊loat的基類(lèi)object。但是我們查看源碼發(fā)現(xiàn)，PyFloat_Type中并沒(méi)有初始化tp_base字段：

同樣地，我們查看Objects文件夾下的各種不同類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)tp_base字段均沒(méi)有初始化，于是尋找將tp_base字段初始化的函數(shù)：

void

_Py_ReadyTypes(void)

if(PyType_Ready(PyBaseObject_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializeobjecttype");

if(PyType_Ready(PyType_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializetypetype");

//...

if(PyType_Ready(PyFloat_Type)0)

Py_FatalError("Can'tinitializefloattype");

//...

_Py_ReadyTypes中統(tǒng)一調(diào)用了PyType_Ready()函數(shù)，為各種類(lèi)型設(shè)置tp_base字段：

int

PyType_Ready(PyTypeObject*type)

//...

/*Initializetp_base(defaultstoBaseObjectunlessthat'sus)*/

base=type-tp_base;

if(base==NULLtype!=PyBaseObject_Type){

base=type-tp_base=PyBaseObject_Type;

Py_INCREF(base);

//...

可以看到，PyType_Ready在初始化tp_base字段時(shí)，對(duì)于PyBaseObject_Type，不會(huì)設(shè)置tp_base字段，即object是沒(méi)有基類(lèi)的，這就是為了保證繼承鏈有一個(gè)終點(diǎn)。

PyBaseObject_Type源碼如下：（只列出了部分）

PyTypeObjectPyBaseObject_Type={

PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)

"object",/*tp_name*/

sizeof(PyObject),/*tp_basicsize*/

0,/*tp_itemsize*/

object_dealloc,/*tp_dealloc*/

//...

object_repr,/*tp_repr*/

//...

0,/*tp_base*/

//...

源碼解讀：

第二行PyVarObject_HEAD_INIT(PyType_Type,0)：把ob_type設(shè)置為PyType_Type，即object的類(lèi)型是type

將PyBaseObject_Type加入到結(jié)構(gòu)圖中，圖示如下：

6.補(bǔ)充

object的類(lèi)型是type，type的基類(lèi)是object。先有雞還是先有蛋？

答：

前面我們提到，在各種類(lèi)型對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體變量初始化的時(shí)候，tp_base字段都是沒(méi)有設(shè)置具體值的，直到_Py_ReadyTypes()函數(shù)執(zhí)行時(shí)，才通過(guò)PyType_Ready()去初始化各類(lèi)型的tp_base。

在PyBaseObject_Type初始化時(shí)，會(huì)將ob_tyep字段設(shè)置為PyType_Type，即object的類(lèi)型為type；在_Py_ReadyTypes函數(shù)中，會(huì)通過(guò)PyType_Ready()設(shè)置PyType_Type的tp_base字段為PyBaseOb