第二章  Python的整數物件

2.1 基本概念
在Python中，整數物件是不可變物件，即建立一個PyIntObject物件之後，就再也不能改變該物件所維護的那個真實的整數值了。但在實際Python的應用程式中，整數的使用太過廣泛，為避免頻繁建立，Python為整數物件使用了一個巧妙的緩衝池機制。事實上，幾乎python中所有的內建物件，都會有自己特有的物件池機制。

[intobject.h]
typedef struct{
 PyObject_HEAD #物件頭結構
 long ob_ival; #整數物件的值
} PyIntObject;

從定義中看出，Python中的整數物件PyIntObject實際上是對C中原生型別long的一個簡單包裝，而與整數物件PyIntObject相關的元資訊實際上都儲存在與其對應的型別物件PyInt_Type中：

[intobject.c]
PyTypeObject PyInt_Type= {
 PyObject_HEAD_INIT(&PyType_Type)
 0,
 "int",
 sizeof(PyIntObject),
 0,
 (destructor)int_dealloc, /*tp_dealloc, 整數物件的析構操作*/
 (printfunc)int_print, /*tp_print, 列印PyIntObject物件 */
 0,
 0,
 (cmpfunc)int_compare, /* tp_compare, 比較操作*/
 (reprfunc)int_repr,
 &int_as_number, /*tp_as_number, 數值操作集合， PyNumberMethods中包含39個函式指標對應39中可選操作 */
 0,
 0,
 (hashfunc)int_hash,/*tp_hash, 獲得Hash值*/
 0,
 (reprfunc)int_repr,/*tp_str,轉化成PyStringObject物件*/
 PyObject_GenericGetAttr,
 0,
 0,
 int_doc,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 int_methods, /*tp_methods, 成員函式集合 */
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 0,
 int_new,
 (freefunc)int_free,/*tp_free, PyIntObject物件的釋放操作*/
);
 

2.2 Python中整數物件的系統結構

在實際的程式設計中，小數值的整數會被非常頻繁地使用，如果在系統堆上頻繁申請並釋放空間，不僅降低執行效率，而且會造成大量記憶體碎片，嚴重影響Python的整體效能，因此Python中，對小整數物件使用了物件池計數，通過巨集 [NSMALLEGINTS, NSMALLPOSINTS) 來確定小整數物件的定義區間，這些整數由Python直接將其對應的整數物件快取在記憶體中，並將指標存放在small_ints中。這個物件池的建立及初始化的過程在Python初始化的階段。

而對於大整數，由於空間限制，Python不可能將其完全快取，而是以PyIntBlock結構為基礎，通過兩個單向列表（PyIntBlock block_list, PyIntObject *free_list）來維護一塊記憶體空間由這些大整數輪流使用。

typedef struct _intblock{
	struct _intblock *next;
	PyIntObject objects[N_INTOBJECTS];
}PyIntBlock;
static PyIntBlock *block_list = NULL;
Static PyIntObject *free_list = NULL;

通過PyInt_FromLong可以考察到Python中一個整數物件PyIntObject的建立

PyObject *
PyInt_FromLong(long ival)
{
    register PyIntObject *v;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
    if (-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS) {
        v = small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
        Py_INCREF(v);
        return (PyObject *) v;
    }
#endif
    if (free_list == NULL) {
        if ((free_list = fill_free_list()) == NULL)
            return NULL;
    }
    /* Inline PyObject_New */
    v = free_list;
    free_list = (PyIntObject *)Py_TYPE(v);
    PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
    v->ob_ival = ival;
    return (PyObject *) v;
}
 

PyInt_FromLong會首先判斷小整數機制是否被啟用，如果確認小整數物件池被啟用且傳入的值屬於小整數範圍，則直接返回在池中對應的物件，否則，則轉向由block_list維護的通用物件池，從block中尋找一塊可用於儲存新的PyIntObject物件的記憶體， 如當前所有PyIntBlock中已經沒有空閒記憶體塊（freelist為空）時， Python將重新申請新的PyIntBlock並將其放入block_list, 而指標 *block_list會指向最新生成的block， 當Python需要銷燬某block中的一個整數物件時，會將該物件的使用計數置零，但其所佔用的記憶體並不會被歸還給系統，而是繼續有Python保留，並將其鏈入到free_list所維護的自由記憶體連結串列。

需要注意的是，通用物件池的大小並不是固定的，當一個整數物件的引用計數變為0時， 就會被Python回收，但是在int_dealloc中，僅僅是將該整數物件的記憶體重新加入到自由記憶體連結串列中，而不會將記憶體交回到系統堆。因此一旦系統堆中的某塊記憶體被Python申請用於整數物件，那麼這塊記憶體在Python結束前，永遠不會被釋放。因此從Python中對通用整數物件池的共享機制可以看出，Python用於實現物件池的記憶體與歷史上建立的整數物件的個數無關，而是與同一時刻共存的整數物件個數的最大值有關。