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Python源码学习之PyObject和PyTypeObject

前言

Python是C语言实现的，因此Python对象在C语言层面应该是一个结构体 ，组织对象占用的内存。不同类型的对象，数据及行为均可能不同，因此可以大胆猜测：不同类型的对象由不同的结构体表示。

对象也有一些共性，比如每个对象都需要有一个引用计数，用于实现垃圾回收机制。因此，还可以进一步猜测：表示对象的结构体有一个公共头部。

一. 实例对象的基石—PyObject和PyVarObject

PyObject和PyVarObject本质上是对象的头部信息。

1.1 PyObject结构体

Python对象都由PyObject结构体表示，对象引用则是指针PyObject *。 PyObject结构体定义于头文件object.h，路径为Include/object.h，代码如下

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

对结构体中的元素进行说明，

元素名称	说明
ob_refcnt	引用计数，对象被其他地方引用时加一，引用解除时减一；当引用计数为零，便可将对象回收，这是最简单的垃圾回收机制。
ob_type	类型指针指向对象的类型对象，类型对象描述实例对象的数据及行为。
_PyObject_HEAD_EXTRA	宏，同样定义在Include/object.h头文件内。

1.2 宏的定义

#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

如果Py_TRACE_REFS被定义，宏展开为两个指针ob_next和ob_prev用来实现双向链表。注释中说明，双向链表用于跟踪所有活跃堆对象，一般不启用，不深入介绍。

1.3 PyVarObject结构体

用于表示变长对象的PyVarObject结构体是在PyObject结构体的基础上加入长度信息。

typedef struct {
    PyObject ob_base;
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
} PyVarObject;

相比object结构体增加了ob_size字段用于记录元素个数。

1.4 两种头部信息宏定义及其初始化

具体实例对象视其内存大小是否固定，决定其属于定长对象还是变长对象。相应的需要具有头部信息PyObject或PyVarObject。

因此，头文件准备了两个头部信息的宏定义PyObject_HEAD和PyObject_VAR_HEAD，方便对象使用，

#define PyObject_HEAD          PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;

宏定义说明，

#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
表示将代码中其他出现PyObject_HEAD的地方，替换成PyObject ob_base;

1.4.1 定长对象实现

内存大小固定的浮点数类的实现只需在PyObject头部基础上，用一个双精度浮点数double加以实现，

typedef struct {
    PyObject_HEAD

    double ob_fval;
} PyFloatObject;

1.4.2 变长对象实现

内存大小不固定的列表对象则需要在PyVarObject头部的基础上，用一个动态数组加以实现，数组存储列表包含的对象，即 PyObject 指针，

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD

    PyObject **ob_item;
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

PyListObject底层由一个数组实现，关键字段是以下3个，

字段	说明
ob_item	指向动态数组的指针，数组保存元素对象指针。
allocated	动态数组总长度，即列表当前的容量。
ob_size	当前元素个数，即列表当前的长度。

列表容量不足时，Python会自动扩容，具体机制见list源码解读。

1.4.3 头部信息宏初始化

PyObject_HEAD_INIT用于定长对象头部信息初始化。将引用计数ob_refcnt设置为1并将对象类型ob_type设置成给定类型。

#define PyObject_HEAD_INIT(type)        \

    { _PyObject_EXTRA_INIT              \

    1, type },

PyVarObject_HEAD_INIT用于变长对象头部信息初始化。在前者基础上进一步设置长度字段ob_size。

#define PyVarObject_HEAD_INIT(type, size)       \

    { PyObject_HEAD_INIT(type) size },

在源码中经常见到这两个宏定义。

二. 类型对象的基石—PyTypeObject 2.1 PyTypeObject包含信息

PyObject记录了Python中所有对象共有的信息。如引用计数、类型指针和变长对象特有的元素个数。但是还有一些细节需要考虑，

创建不同类型的对象时如何得知对象所需的内存信息
给定某个对象，如何判断它支持什么操作

这些作为对象的元信息 ，应该由一个独立实体保存，与对象所属类型密切相关。PyObject中包含的ob_type指针，指向一个类型对象。类型对象PyTypeObject也在Include/object.h中定义，关键字段如下，

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name; /* For printing, in format "module>.name>" */
    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */

    /* Methods to implement standard operations */
    destructor tp_dealloc;
    printfunc tp_print;

    getattrfunc tp_getattr;
    setattrfunc tp_setattr;

    // ...
    /* Attribute descriptor and subclassing stuff */
    struct _typeobject *tp_base;

    // ......
} PyTypeObject;

类型对象PyTypeObject是一个变长对象，包含变长对象头部信息PyObject_VAR_HEAD和专有字段，

字段	说明
类型名称	tp_name字段
类型的继承信息	tp_base字段指向基类对象
创建实例对象时所需的内存信息	tp_basicsize 和 tp_itemsize 字段
该类型支持的相关操作信息	tp_print、tp_getattr等函数指针

PyTypeObject就是类型对象在 Python 中的表现形式，对应着面向对象中“类”的概念。PyTypeObject结构很复杂，目前只需要知道它保存着对象的元信息，描述对象的类型即可。

2.2 类型对象和实例对象在内存中的关系

以float为例，考察类型对象和实例对象在内存中的形态和关系，

>>> float
class 'float'>
>>> pi = 3.14
>>> e = 2.71
>>> type(pi) is float
True

两个float实例对象都是PyFloatObject结构体，除了公共头部字段ob_refcnt和ob_type，专有字段ob_fval保存了对应的数值。
类型对象是一个PyTypeObject结构体，保存了类型名、内存分配信息以及浮点数相关操作。实例对象的ob_type字段指向类型对象，Python 据此判断对象类型，进而获悉关于对象的元信息。
float、pi以及e等变量只是一个指向实际对象的指针。