型別系統

一般物件是不能靜態分配的，而 python 所有內建物件都是靜態分配的

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

#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

預設編譯 Py_TRACE_REFS 沒有定義，因此，實際為

//固定長度，如 int
typedef struct _object {
    Py_ssize_t ob_refcnt; //很明顯引用計數器
    struct _typeobject *ob_type; //儲存型別資訊
 

} PyObject;

//可變長物件，如 string, list
typedef struct {
    PyObject ob_base;
    Py_ssize_t ob_size; //元素個數
} PyVarObject;

python 所有物件的頭部都是 PyObject，因此，可以通過 PyObject 指標指向任何物件。

我們最熟悉的 list 的定義如下:

#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;
typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
    /* Vector of pointers to list elements.  list[0] is ob_item[0], etc. */
 

    PyObject **ob_item;

    /* ob_item contains space for 'allocated' elements.  The number
     * currently in use is ob_size.
     * Invariants:
     *     0 <= ob_size <= allocated
     *     len(list) == ob_size
     *     ob_item == NULL implies ob_size == allocated == 0
     * list.sort() temporarily sets allocated to -1 to detect mutations.
     *
     * Items must normally not be NULL, except during construction when
     * the list is not yet visible outside the function that builds it.
     */
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

據此，知道所有的物件都包含共同的 PyObject，不同物件之間的區別在哪裡呢？
主要的區別在於不同的物件對應 C 中不同的結構體

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;
    PyAsyncMethods *tp_as_async; /* formerly known as tp_compare (Python 2)
                                    or tp_reserved (Python 3) */
    reprfunc tp_repr;

    /* Method suites for standard classes */

    PyNumberMethods *tp_as_number;
    PySequenceMethods *tp_as_sequence;
    PyMappingMethods *tp_as_mapping;

    /* More standard operations (here for binary compatibility) */

    hashfunc tp_hash;
    ternaryfunc tp_call;
    reprfunc tp_str;
    getattrofunc tp_getattro;
    setattrofunc tp_setattro;

    /* Functions to access object as input/output buffer */
    PyBufferProcs *tp_as_buffer;

    /* Flags to define presence of optional/expanded features */
    unsigned long tp_flags;

    const char *tp_doc; /* Documentation string */
        /* Assigned meaning in release 2.0 */
    /* call function for all accessible objects */
    traverseproc tp_traverse;

    /* delete references to contained objects */
    inquiry tp_clear;

    /* Assigned meaning in release 2.1 */
    /* rich comparisons */
    richcmpfunc tp_richcompare;

    /* weak reference enabler */
    Py_ssize_t tp_weaklistoffset;

    /* Iterators */
    getiterfunc tp_iter;
    iternextfunc tp_iternext;

    /* Attribute descriptor and subclassing stuff */
    struct PyMethodDef *tp_methods;
    struct PyMemberDef *tp_members;
    struct PyGetSetDef *tp_getset;
    struct _typeobject *tp_base;
    PyObject *tp_dict;
    descrgetfunc tp_descr_get;
    descrsetfunc tp_descr_set;
    Py_ssize_t tp_dictoffset;
    initproc tp_init;
    allocfunc tp_alloc;
    newfunc tp_new;
    freefunc tp_free; /* Low-level free-memory routine */
    inquiry tp_is_gc; /* For PyObject_IS_GC */
    PyObject *tp_bases;
    PyObject *tp_mro; /* method resolution order */
    PyObject *tp_cache;
    PyObject *tp_subclasses;
    PyObject *tp_weaklist;
    destructor tp_del;

    /* Type attribute cache version tag. Added in version 2.6 */
    unsigned int tp_version_tag;

    destructor tp_finalize;

#ifdef COUNT_ALLOCS
    /* these must be last and never explicitly initialized */
    Py_ssize_t tp_allocs;
    Py_ssize_t tp_frees;
    Py_ssize_t tp_maxalloc;
    struct _typeobject *tp_prev;
    struct _typeobject *tp_next;
#endif
} PyTypeObject;

其中

• tp_bases : 指向基類指標
• tp_basicsize : 分配物件空間大小

• tp_new : 建立物件時呼叫對應的函式

  1. 建立物件

tp_new 根據 tp_basicsize 分配記憶體

如果 tp_new 為 NULL，會向上找到到 tp_base

1. 初始化

tp_init

物件建立

1. Python C API

2. 分配 Py[type]_Type 物件

3. AOL(abstract Object Layer) : 形如 PyObject_*** 可以應用到任何 python 物件上，如 PyObject_New 來建立物件

4. COL(Concrete Object Layer) : 只作用某一型別物件，如 PyInt_FromLong(10)

如

>>> __builtins__.__dict__['int']
<type 'int'>
>>> a = int(10)
>>> a
10
>>> type(a)
<type 'int'>
>>> int.__base__
<type 'object'>

型別

PyTypeObject PyBaseObject_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "object",                                   /* tp_name */
    sizeof(PyObject),                           /* tp_basicsize */ 0,                                          /* tp_itemsize */
    object_dealloc,                             /* tp_dealloc */
    0,                                          /* tp_print */
    0,                                          /* tp_getattr */
    0,                                          /* tp_setattr */
    0,                                          /* tp_reserved */
    object_repr,                                /* tp_repr */
    0,                                          /* tp_as_number */
    0,                                          /* tp_as_sequence */
    0,                                          /* tp_as_mapping */
    (hashfunc)_Py_HashPointer,                  /* tp_hash */
    0,                                          /* tp_call */
    object_str,                                 /* tp_str */
    PyObject_GenericGetAttr,                    /* tp_getattro */
    PyObject_GenericSetAttr,                    /* tp_setattro */
    0,                                          /* tp_as_buffer */
    Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE,   /* tp_flags */
    PyDoc_STR("object()\n--\n\nThe most base type"),  /* tp_doc */
    0,                                          /* tp_traverse */
    0,                                          /* tp_clear */
    object_richcompare,                         /* tp_richcompare */
    0,                                          /* tp_weaklistoffset */
    0,                                          /* tp_iter */
    0,                                          /* tp_iternext */
    object_methods,                             /* tp_methods */
    0,                                          /* tp_members */
    object_getsets,                             /* tp_getset */
    0,                                          /* tp_base */
    0,                                          /* tp_dict */
    0,                                          /* tp_descr_get */
    0,                                          /* tp_descr_set */
    0,                                          /* tp_dictoffset */
    object_init,                                /* tp_init */
    PyType_GenericAlloc,                        /* tp_alloc */
    object_new,                                 /* tp_new */
    PyObject_Del,                               /* tp_free */
};

我們在自定義類的時候，都會繼承 object 類，而這個類對應的
C 結構體就是 PyBaseObject_Type，從其 tp_name 為 "object" 可知端倪。

在建立物件的時候，所有物件都會呼叫這裡的 object_new 函式

物件的行為

在 PyTypeObject 中三個成員決定物件的行為

    PyNumberMethods *tp_as_number;
    PySequenceMethods *tp_as_sequence;
    PyMappingMethods *tp_as_mapping;

• PyNumberMethods : 數字操作，加減乘除
• PySequenceMethods : 序列相關
• PyMappingMethods : 關聯物件

如果一個物件支援上述操作，對應的指標就不為 NULL。

物件型別

PyTypeObject PyType_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "type",                                     /* tp_name */
    sizeof(PyHeapTypeObject),                   /* tp_basicsize */
    sizeof(PyMemberDef),                        /* tp_itemsize */
    (destructor)type_dealloc,                   /* tp_dealloc */
    0,                                          /* tp_print */
    0,                                          /* tp_getattr */
    0,                                          /* tp_setattr */
    0,                                          /* tp_reserved */
    (reprfunc)type_repr,                        /* tp_repr */
    0,                                          /* tp_as_number */
    0,                                          /* tp_as_sequence */
    0,                                          /* tp_as_mapping */
    0,                                          /* tp_hash */
    (ternaryfunc)type_call,                     /* tp_call */
    0,                                          /* tp_str */
    (getattrofunc)type_getattro,                /* tp_getattro */
    (setattrofunc)type_setattro,                /* tp_setattro */
    0,                                          /* tp_as_buffer */
    Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_HAVE_GC |
        Py_TPFLAGS_BASETYPE | Py_TPFLAGS_TYPE_SUBCLASS,         /* tp_flags */
    type_doc,                                   /* tp_doc */
    (traverseproc)type_traverse,                /* tp_traverse */
    (inquiry)type_clear,                        /* tp_clear */
    0,                                          /* tp_richcompare */
    offsetof(PyTypeObject, tp_weaklist),        /* tp_weaklistoffset */
    0,                                          /* tp_iter */
    0,                                          /* tp_iternext */
    type_methods,                               /* tp_methods */
    type_members,                               /* tp_members */
    type_getsets,                               /* tp_getset */
    0,                                          /* tp_base */
    0,                                          /* tp_dict */
    0,                                          /* tp_descr_get */
    0,                                          /* tp_descr_set */
    offsetof(PyTypeObject, tp_dict),            /* tp_dictoffset */
    type_init,                                  /* tp_init */
    0,                                          /* tp_alloc */
    type_new,                                   /* tp_new */
    PyObject_GC_Del,                            /* tp_free */
    (inquiry)type_is_gc,                        /* tp_is_gc */
};

總結：

所有的物件都一個 PyObject 指標頭，而 PyObject 中包含 PyTypeObject
包含所有物件的基本資訊

所有以 object 為基類的物件 : tp_base 指向 PyBaseObject_Type
所有物件型別: ob_type 指向 PyType_Type

PyBaseObject_Type 的 ob_type 也指向 PyType_Type

python 多型

所有物件都有一個頭 PyObject，而 PyObject 的 ob_type 指向 PyType_Type

所有物件的型別通過其 ob_type 指向的 PyType_Type 獲知其型別資訊

PyObject* PyObject_Repr(PyObject *v) {
    //...
    res = (*v->ob_type->tp_repr)(v);
    //...
}

不同型別的 v 的型別對應不同的 PyType_Type 物件，呼叫對應物件的
tp_repr 方法

引用計數

#define Py_INCREF(op) (                         \
    _Py_INC_REFTOTAL  _Py_REF_DEBUG_COMMA       \
    ((PyObject *)(op))->ob_refcnt++)

#define Py_DECREF(op)                                   \
    do {                                                \
        PyObject *_py_decref_tmp = (PyObject *)(op);    \
        if (_Py_DEC_REFTOTAL  _Py_REF_DEBUG_COMMA       \
        --(_py_decref_tmp)->ob_refcnt != 0)             \
            _Py_CHECK_REFCNT(_py_decref_tmp)            \
        else                                            \
            _Py_Dealloc(_py_decref_tmp);                \
    } while (0)

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

Py_INCREF : 增加計數
Py_DECREF : 減少計數，但物件 ob_refcnt 為 0 時呼叫 tp_dealloc 方法釋放記憶體

注：

1. python 中引用計數次數不超過 Py_ssize_t 指定的大小的限制
2. tp_dealloc 並不意味著會釋放記憶體，而是將其返回記憶體池

#define Py_REFCNT(ob)           (((PyObject*)(ob))->ob_refcnt)
#define _Py_NewReference(op) (                          \
    _Py_INC_TPALLOCS(op) _Py_COUNT_ALLOCS_COMMA         \
    _Py_INC_REFTOTAL  _Py_REF_DEBUG_COMMA               \
    Py_REFCNT(op) = 1)

可見在初始化的時候，將 ob_refcnt 置為 1