float內部結構

首先在檔案Include/floatobject.h中，找到了float例項物件的結構體：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

除了定長物件的共用頭部，只有一個欄位ob_fval，這個欄位就是用來儲存浮點物件的浮點值的。

在回顧一下float型別物件的結構體。float型別物件是系統內建的型別物件，是全域性唯一的，因此可以作為全域性變數定義。在檔案Objects/floatobject.c中：

PyTypeObject PyFloat_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "float",
    sizeof(PyFloatObject),
    0,
    (destructor)float_dealloc,                  /* tp_dealloc */
    0,                                          /* tp_vectorcall_offset */
    0,                                          /* tp_getattr */
    0,                                          /* tp_setattr */
    0,                                          /* tp_as_async */
    (reprfunc)float_repr,                       /* tp_repr */
    &float_as_number,                           /* tp_as_number */
    0,                                          /* tp_as_sequence */
    0,                                          /* tp_as_mapping */
    (hashfunc)float_hash,                       /* tp_hash */
    0,                                          /* tp_call */
    0,                                          /* tp_str */
    PyObject_GenericGetAttr,                    /* tp_getattro */
    0,                                          /* tp_setattro */
    0,                                          /* tp_as_buffer */
    Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE |
        _Py_TPFLAGS_MATCH_SELF,               /* tp_flags */
    float_new__doc__,                           /* tp_doc */
    0,                                          /* tp_traverse */
    0,                                          /* tp_clear */
    float_richcompare,                          /* tp_richcompare */
    0,                                          /* tp_weaklistoffset */
    0,                                          /* tp_iter */
    0,                                          /* tp_iternext */
    float_methods,                              /* tp_methods */
    0,                                          /* tp_members */
    float_getset,                               /* tp_getset */
    0,                                          /* tp_base */
    0,                                          /* tp_dict */
    0,                                          /* tp_descr_get */
    0,                                          /* tp_descr_set */
    0,                                          /* tp_dictoffset */
    0,                                          /* tp_init */
    0,                                          /* tp_alloc */
    float_new,                                  /* tp_new */
    .tp_vectorcall = (vectorcallfunc)float_vectorcall,
};
 

PyFloat_Type儲存了float物件的元資訊，這些元資訊決定了浮點例項物件的生死和行為，關鍵欄位如下：

• tp_name：型別的名稱，這裡是常量'float'；
• tp_dealloc、tp_init、tp_alloc、tp_new：物件建立和銷燬的相關函式；
• tp_repr：生成語法字串表示形式的函式；
• tp_str：生成普通字串表示形式的函式；
• tp_as_number：數值操作集；
• tp_hash：雜湊值生成函式；

float例項的建立

float例項物件的建立流程前面的章節已經介紹過了，再來回顧一下使用通用流程建立物件的過程：Python執行的是type型別物件當中的tp_call函式。tp_call函式進而呼叫float型別物件的tp_new和tp_init函式建立例項物件並進行初始化。

在原始碼中，PyFloat_Type的tp_init函式指標為空，這是因為float是一種很簡單的物件，初始化操作就是一個賦值語句，在tp_new中完成即可。

除了通用流程，Python為內建物件實現了物件建立API，簡化呼叫，提高效率。比如直接建立浮點物件：

>>> pi = 3.14

這裡其實是通過PyFloat_FromDouble函式實現的，直接將浮點值建立成浮點物件：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type);
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}
 

• 首先為物件分配記憶體空間（PyObject_MALLOC函式），優先使用空閒物件快取池。
• 初始化物件型別欄位ob_type以及引用計數字段ob_refcnt(PyObject_INIT)；
• 將ob_fval欄位初始化為浮點值。

float例項的銷燬

當物件的某次引用被解除時，Python通過Py_DECREF或者Py_XDECREF巨集減少引用計數；當引用計數降為0時，Python通過_Py_Dealloc巨集回收物件。

_Py_Dealloc巨集呼叫型別物件PyFloat_Type中的tp_dealloc函式指標：

#define _Py_Dealloc(op) (                               \
    _Py_INC_TPFREES(op) _Py_COUNT_ALLOCS_COMMA          \
    (*Py_TYPE(op)->tp_dealloc)((PyObject *)(op)))

根據程式碼可知，float回收物件實際呼叫的函式是float_dealloc：

static void
float_dealloc(PyFloatObject *op)
{
    if (PyFloat_CheckExact(op)) {
        if (numfree >= PyFloat_MAXFREELIST)  {
            PyObject_FREE(op);
            return;
        }
        numfree++;
        Py_TYPE(op) = (struct _typeobject *)free_list;
        free_list = op;
    }
    else
        Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
}

總結一下，float例項物件從建立到銷燬整個生命週期所涉及的關鍵函式、巨集以及呼叫關係如下：

空閒物件快取池

浮點運算是比較常見的運算方式之一。其實浮點運算背後涉及大量臨時物件建立和銷燬的動作，比如計算圓周率：

>>> area = pi * r ** 2

該語句首先計算r**2，即半徑的平方，中間結果由一個臨時物件來儲存，假如是變數a，然後計算圓周率pi和a的乘積，將最後的結果賦值給變數area，最後，銷燬臨時物件a。

可見這樣一條簡單的浮點運算就隱藏了一個臨時物件的建立和銷燬，如果是複雜的資料運算將涉及大量的物件的建立和銷燬，而這就意味著大量的記憶體分配和回收操作，這是及其耗效能的。

Python考慮了這種情況，在銷燬浮點物件後，並沒有立刻回收記憶體，而是將物件放入一個空閒連結串列中，後續需要建立浮點物件時，可以先從空閒連結串列中取，省去了分配記憶體的開銷。

在檔案Objects/floatobject.c中可以看到浮點物件空間連結串列的定義：

#ifndef PyFloat_MAXFREELIST
#define PyFloat_MAXFREELIST    100
#endif
static int numfree = 0;
static PyFloatObject *free_list = NULL;

• free_list變數，指向空閒連結串列頭節點的指標；
• numfree變數，維護空閒連結串列 當前長度；
• PyFloat_MAXFREELIST巨集，限制空閒連結串列的最大長度，避免佔用過多的記憶體；

為了不新增額外的連結串列指標，free_list把ob_type欄位當做next指標來用，將空閒物件串成連結串列；

以PyFloat_FromDouble為例：

PyFloatObject *op = free_list;
if (op != NULL) {
    free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
    numfree--;
} else {
    op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
    // ...
}

分配記憶體的流程如下：

1. 檢查free_list是否為空；
2. 如果free_list非空，則取出頭節點備用，並將numfree減一，並通過Py_TYPE函式（獲取物件的型別物件）取出free_list頭部的ob_type欄位（即第二個空閒物件的地址），將free_list指標指向新的頭部；
3. 如果free_list為空，則呼叫PyObject_MALLOC分配記憶體。

如此，每當需要建立浮點物件時，可以從連結串列中取出空閒物件，省去申請記憶體的開銷。而當float物件被銷燬時，Python將其快取在空閒連結串列中，以備後用，程式碼如下：

if (numfree >= PyFloat_MAXFREELIST)  {
    PyObject_FREE(op);
    return;
}
numfree++;
Py_TYPE(op) = (struct _typeobject *)free_list;
free_list = op;

主要流程便是判斷空閒連結串列長度是否達到了限制值，如果達到了，則直接回收物件記憶體，如果未達到，則將物件插到空閒連結串列頭部，並使得numfree加一。

以上部分便是Python空閒物件快取池的介紹，該機制對提高物件分配效率發揮著很重要的作用。