Python二元算術運算常用方法解析
在本文中，我想談談二元算術運算。具體來說，我想解讀減法的工作原理：a - b。我故意選擇了減法，因為它是不可交換的。這可以強調出操作順序的重要性，與加法操作相比，你可能會在實現時誤將 a 和 b 翻轉，但還是得到相同的結果。
檢視 C 程式碼
按照慣例，我們從檢視 CPython 直譯器編譯的位元組碼開始。
>>> def sub(): a - b
...
>>> import dis
>>> dis.dis(sub)
1 0 LOAD_GLOBAL 0 (a)
2 LOAD_GLOBAL 1 (b)
4 BINARY_SUBTRACT
6 POP_TOP
8 LOAD_CONST 0 (None)
10 RETURN_VALUE看起來我們需要深入研究 BINARY_SUBTRACT 操作碼。翻查 Python/ceval.c 檔案，可以看到實現該操作碼的 C 程式碼如下：
case TARGET(BINARY_SUBTRACT): {
PyObject *right = POP();
PyObject *left = TOP();
PyObject *diff = PyNumber_Subtract(left,right);
Py_DECREF(right);
Py_DECREF(left);
SET_TOP(diff);
if (diff == NULL)
goto error;
DISPATCH();
}來源：https://github.com/python/cpython/blob/6f8c8320e9eac9bc7a7f653b43506e75916ce8e8/Python/ceval.c#L1569-L1579
這裡的關鍵程式碼是PyNumber_Subtract()，實現了減法的實際語義。繼續檢視該函式的一些巨集，可以找到binary_op1() 函式。它提供了一種管理二元操作的通用方法。
不過，我們不把它作為實現的參考，而是要用Python的資料模型，官方文件很好，清楚介紹了減法所使用的語義。
從資料模型中學習
通讀資料模型的文件，你會發現在實現減法時，有兩個方法起到了關鍵作用：__sub__ 和 __rsub__。
1、__sub__()方法
當執行a - b 時，會在 a 的型別中查詢__sub__()，然後把 b 作為它的引數。這很像我寫屬性訪問的文章 裡的__getattribute__()，特殊/魔術方法是根據物件的型別來解析的，並不是出於效能目的而解析物件本身;在下面的示例程式碼中，我使用_mro_getattr() 表示此過程。
因此，如果已定義 __sub__()，則 type(a).__sub__(a,b) 會被用來作減法操作。(譯註：魔術方法屬於物件的型別，不屬於物件)
這意味著在本質上，減法只是一個方法呼叫!你也可以將它理解成標準庫中的 operator.sub() 函式。
我們將仿造該函式實現自己的模型，用 lhs 和 rhs 兩個名稱，分別表示 a-b 的左側和右側，以使示例程式碼更易於理解。
# 通過呼叫__sub__()實現減法
def sub(lhs: Any,rhs: Any,/) -> Any:
"""Implement the binary operation `a - b`."""
lhs_type = type(lhs)
try:
subtract = _mro_getattr(lhs_type,"__sub__")
except AttributeError:
msg = f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {type(rhs)!r}"
raise TypeError(msg)
else:
return subtract(lhs,rhs)
2、讓右側使用__rsub__()
但是，如果 a 沒有實現__sub__() 怎麼辦?如果 a 和 b 是不同的型別，那麼我們會嘗試呼叫 b 的 __rsub__()(__rsub__ 裡面的“r”表示“右”，代表在操作符的右側)。
當操作的雙方是不同型別時，這樣可以確保它們都有機會嘗試使表示式生效。當它們相同時，我們假設__sub__() 就能夠處理好。但是，即使兩邊的實現相同，你仍然要呼叫__rsub__()，以防其中一個物件是其它的(子)類。
3、不關心型別
現在，表示式雙方都可以參與運算!但是，如果由於某種原因，某個物件的型別不支援減法怎麼辦(例如不支援 4 - “stuff”)?在這種情況下，__sub__ 或__rsub__ 能做的就是返回 NotImplemented。
這是給 Python 返回的訊號，它應該繼續執行下一個操作，嘗試使程式碼正常執行。對於我們的程式碼，這意味著需要先檢查方法的返回值，然後才能假定它起作用。
# 減法的實現，其中表達式的左側和右側均可參與運算
_MISSING = object()
def sub(lhs: Any,/) -> Any:
# lhs.__sub__
lhs_type = type(lhs)
try:
lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__sub__")
except AttributeError:
lhs_method = _MISSING
# lhs.__rsub__ (for knowing if rhs.__rub__ should be called first)
try:
lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__rsub__")
except AttributeError:
lhs_rmethod = _MISSING
# rhs.__rsub__
rhs_type = type(rhs)
try:
rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type,"__rsub__")
except AttributeError:
rhs_method = _MISSING
call_lhs = lhs,lhs_method,rhs
call_rhs = rhs,rhs_method,lhs
if lhs_type is not rhs_type:
calls = call_lhs,call_rhs
else:
calls = (call_lhs,)
for first_obj,meth,second_obj in calls:
if meth is _MISSING:
continue
value = meth(first_obj,second_obj)
if value is not NotImplemented:
return value
else:
raise TypeError(
f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}"
)
4、子類優先於父類
如果你看一下__rsub__() 的文件，就會注意到一條註釋。它說如果一個減法表示式的右側是左側的子類(真正的子類，同一類的不算)，並且兩個物件的__rsub__() 方法不同，則在呼叫__sub__() 之前會先呼叫__rsub__()。換句話說，如果 b 是 a 的子類，呼叫的順序就會被顛倒。
這似乎是一個很奇怪的特例，但它背後是有原因的。當你建立一個子類時，這意味著你要在父類提供的操作上注入新的邏輯。這種邏輯不一定要加給父類，否則父類在對子類操作時，就很容易覆蓋子類想要實現的操作。
具體來說，假設有一個名為 Spam 的類，當你執行 Spam() - Spam() 時，得到一個 LessSpam 的例項。接著你又建立了一個 Spam 的子類名為 Bacon，這樣，當你用 Spam 去減 Bacon 時，你得到的是 VeggieSpam。
如果沒有上述規則，Spam() - Bacon() 將得到 LessSpam，因為 Spam 不知道減掉 Bacon 應該得出 VeggieSpam。
但是，有了上述規則，就會得到預期的結果 VeggieSpam，因為 Bacon.__rsub__() 首先會在表示式中被呼叫(如果計算的是 Bacon() - Spam()，那麼也會得到正確的結果，因為首先會呼叫 Bacon.__sub__()，因此，規則裡才會說兩個類的不同的方法需有區別，而不僅僅是一個由 issubclass() 判斷出的子類。)
# Python中減法的完整實現
_MISSING = object()
def sub(lhs: Any,lhs
if (
rhs_type is not _MISSING # Do we care?
and rhs_type is not lhs_type # Could RHS be a subclass?
and issubclass(rhs_type,lhs_type) # RHS is a subclass!
and lhs_rmethod is not rhs_method # Is __r*__ actually different?
):
calls = call_rhs,call_lhs
elif lhs_type is not rhs_type:
calls = call_lhs,second_obj)
if value is not NotImplemented:
return value
else:
raise TypeError(
f"unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}"
)
推廣到其它二元運算
解決掉了減法運算，那麼其它二元運算又如何呢?好吧，事實證明它們的操作相同，只是碰巧使用了不同的特殊/魔術方法名稱。
所以，如果我們可以推廣這種方法，那麼我們就可以實現 13 種操作的語義：+ 、-、*、@、/、//、%、**、<<、>>、&、^、和 |。
由於閉包和 Python 在物件自省上的靈活性，我們可以提煉出 operator 函式的建立。
# 一個建立閉包的函式，實現了二元運算的邏輯
_MISSING = object()
def _create_binary_op(name: str,operator: str) -> Any:
"""Create a binary operation function.
The `name` parameter specifies the name of the special method used for the
binary operation (e.g. `sub` for `__sub__`). The `operator` name is the
token representing the binary operation (e.g. `-` for subtraction).
"""
lhs_method_name = f"__{name}__"
def binary_op(lhs: Any,/) -> Any:
"""A closure implementing a binary operation in Python."""
rhs_method_name = f"__r{name}__"
# lhs.__*__
lhs_type = type(lhs)
try:
lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type,lhs_method_name)
except AttributeError:
lhs_method = _MISSING
# lhs.__r*__ (for knowing if rhs.__r*__ should be called first)
try:
lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type,rhs_method_name)
except AttributeError:
lhs_rmethod = _MISSING
# rhs.__r*__
rhs_type = type(rhs)
try:
rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type,rhs_method_name)
except AttributeError:
rhs_method = _MISSING
call_lhs = lhs,second_obj)
if value is not NotImplemented:
return value
else:
exc = TypeError(
f"unsupported operand type(s) for {operator}: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}"
)
exc._binary_op = operator
raise exc
有了這段程式碼，你可以將減法運算定義為 _create_binary_op(“sub”,“-”)，然後根據需要重複定義出其它運算。
以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援我們。