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Python 對象的行為是怎么區分的?

來源: 責編: 時間:2024-05-29 08:57:15 166觀看
導讀我們知道所有類型對象在底層都由結構體 PyTypeObject 實例化得到,但內部字段接收的值不同,得到的類型對象就不同。類型對象不同,那么實例對象的表現就不同,這也正是一種對象區別于另一種對象的關鍵所在。比如 PyLong_Type

我們知道所有類型對象在底層都由結構體 PyTypeObject 實例化得到,但內部字段接收的值不同,得到的類型對象就不同。類型對象不同,那么實例對象的表現就不同,這也正是一種對象區別于另一種對象的關鍵所在。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

比如 PyLong_Type 的 tp_iter 是空,那么整數就不是可迭代對象,而 PyList_Type 的 tp_iter 不是空,那么列表就是可迭代對象。再比如 PyLong_Type 和 PyFloat_Type,雖然內部都實現了 tp_hash,但它們是不同的類型,所以整數和浮點數的哈希值計算方式也不一樣。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

因此類型對象決定了實例對象的行為,比如能否調用、能否計算哈希值、能否迭代等等,這些都由類型對象決定。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

PyTypeObject 里面定義了很多函數指針,比如 tp_call、tp_hash 等等,它們可能指向某個具體的函數,也可能為空。這些函數指針可以看做是類型對象所定義的操作,這些操作決定了其實例對象在運行時的行為。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

class A:# tp_newdef __new__(cls, *args, **kwargs):    pass# tp_initdef __init__(self):    pass# tp_calldef __call__(self):    pass# tp_getattrdef __getattr__(self, attr):    pass# tp_setattrdef __setattr__(self, key, value):    pass......

像 tp_call、tp_hash、tp_new 等字段會直接對應 Python 里的魔法函數,它們以雙下劃線開頭、以雙下劃線結尾。但除了魔法函數之外,每種類型還可以有很多自定義的成員函數。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

# 自定義 foo 和 barclass A:    def foo(self):        pass    def bar(self):        pass# 當然內置類型也是如此# 像 str 定義了 join、split、upperprint(str.join)print(str.split)print(str.upper)# 像 list 定義了 append、extend,insertprint(list.append)print(list.extend)print(list.insert)

這些自定義的函數會一起保存在類型對象的 tp_methods 里面,負責讓實例對象更具有表現力。需要補充的是,類型對象里面定義的是函數,也叫成員函數,實例對象在獲取之后會自動包裝成方法。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

所以實例對象能調用的方法都定義在類型對象里面,并且通過實例調用本質上就是一個語法糖,但用起來更加優雅。假設有一個類 A,實例對象為 a,那么 a.some() 底層會轉成 A.some(a),至于這背后的細節后續再聊。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

但除了以上這些,PyTypeObject 還提供了三個字段。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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每個字段各自指向一個結構體實例,結構體實例中有大量的字段,這些字段也是函數指針,指向了具體的函數。所以它們也被稱為方法簇,分別應用于如下操作。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

  • tp_as_number:負責數值型操作,比如整數、浮點數的加減乘除;
  • tp_as_sequence:負責序列型操作,比如字符串、列表、元組等通過索引取值的行為;
  • tp_as_mapping:負責映射型操作,比如字典通過 key 映射出 value;

我們以 tp_as_number 為例,它指向 PyNumberMethods 類型的結構體實例,那么這個結構體長什么樣子呢?EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

// Include/cpython/object.htypedef struct {// add,對應 + 操作符,如 a + bbinaryfunc nb_add;// sub,對應 - 操作符,如 a - bbinaryfunc nb_subtract;// mul,對應 * 操作符,如 a * bbinaryfunc nb_multiply;// mod,對應 % 操作符,如 a % bbinaryfunc nb_remainder;// divmod,對應 divmode 函數,如 divmod(a, b)binaryfunc nb_divmod;// power,對應 ** 操作符,如 a ** bternaryfunc nb_power;// neg,對應 - 操作符,如 -aunaryfunc nb_negative;// pos,對應 + 操作符,如 +aunaryfunc nb_positive;// abs,對應 abs 函數,如 abs(a)unaryfunc nb_absolute;// bool,如 bool(a)inquiry nb_bool;// invert,對應 ~ 操作符,如 ~aunaryfunc nb_invert;// lshift,對應 << 操作符,如 a << bbinaryfunc nb_lshift;// rshift,對應 >> 操作符,如 a >> bbinaryfunc nb_rshift;// and,對應 & 操作符,如 a & bbinaryfunc nb_and;// xor,對應 ^ 操作符,如 a ^ bbinaryfunc nb_xor;// or,對應 | 操作符,如 a | bbinaryfunc nb_or;// int,如 int(a)unaryfunc nb_int;// ...} PyNumberMethods;

你看到了什么?是不是想到了 Python 里面的魔法方法,所以它們也被稱為方法簇。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在 PyNumberMethods 這個方法簇里面定義了作為一個數值應該支持的操作,如果一個對象能被視為數值,比如整數,那么在其對應的類型對象 PyLong_Type 中,tp_as_number->nb_add 就指定了該對象進行加法操作時的具體行為。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

同樣,PySequenceMethods 和 PyMappingMethods 中分別定義了作為一個序列對象和映射對象應該支持的行為,這兩種對象的典型例子就是 list 和 dict。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

所以,只要類型對象提供相關操作,實例對象便具備對應的行為,因為實例對象所調用的方法都是由類型對象提供的。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

class Girl:EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

class Girl:def __init__(self, name, age):    self.name = name    self.age = agedef say(self):    passdef cry(self):    pass

實例對象的屬性字典,只包含了一些在 init 里面設置的屬性而已,而實例能夠調用的 say、cry 都是定義在類型對象中的。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

因此一定要記住:類型對象定義的操作,決定了實例對象的行為。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

class Int(int):    def __getitem__(self, item):        return itema = Int(1)b = Int(2)print(a + b)  # 3print(a["你好"])  # 你好

繼承自 int 的 Int 在實例化之后自然是一個數值對象,但看上去 a[""] 是一個類似于字典才具有的行為,那為什么可以實現呢?EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

原因就是我們重寫了 getitem 這個魔法函數,該方法在底層對應 PyMappingMethods 中的 mp_subscript 操作,因此最終 Int 實例對象表現的像一個字典一樣。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

歸根結底就在于這幾個方法簇都只是 PyTypeObject 的一個字段罷了,默認使用 PyTypeObject 結構體創建的 PyLong_Type 所生成的實例對象是不具備列表和字典的屬性特征的。但我們通過繼承 PyLong_Type,同時指定 getitem,使得構建出來的類型對象所生成的實例對象,同時具備多種屬性特征,就是因為解釋器支持這種做法。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

自定義的類在底層也是 PyTypeObject 結構體實例,而在繼承 int 的時候,將其內部定義的 PyNumberMethods 方法簇也繼承了下來,而我們又單獨實現了 PyMappingMethods 中的 mp_subscript。所以自定義類 Int 的實例對象具備了整數的全部行為,以及字典的部分行為(因為我們只實現了 getitem)。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

我們再通過 PyLong_Type 實際考察一下:EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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整數對象顯然不支持序列和映射操作,所以在創建 PyLong_Type 時,字段 tp_as_sequence 和 tp_as_mapping 就是 0,相當于空。但整數明顯支持數值型操作,所以實現了 tp_as_number。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

而 tp_as_number 字段被賦值為 long_as_number,看一下它長什么樣。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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里面的 long_add、long_sub、long_mul 等等顯然都是已經定義好的函數指針,在創建 PyNumberMethods 結構體實例 long_as_number 的時候,分別賦值給了字段 nb_add、nb_substract、nb_multiply 等等。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

創建完整數相關操作的 PyNumberMethods 結構體實例 long_as_number 之后,再將其指針交給 PyLong_Type 的 tp_as_number 字段。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

然后整數在操作的時候,比如相加,會先通過 變量->ob_type->tp_as_number->nb_add 獲取該操作對應的函數指針,其中 int 類型對象的 tp_as_number 字段的值是 &long_as_number,因此獲取其字段 nb_add 的時候,拿到的就是 long_add 函數指針,然后調用。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

同理 float 類型里的 tp_as_number 則被賦值成了 &float_as_number,獲取 nb_add 字段的時候,拿到的就是 float_add 函數指針。不同類型的對象的行為不同,它們都有屬于自己的一組方法簇。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

最后再畫一張圖總結一下,假設有兩個變量,分別是 e = 2.71 和 num = 666。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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所以對象的行為是由其類型對象定義的操作所決定的,比如一個對象可以計算長度,那么它的類型對象要實現 len;一個對象可以轉成整數,那么它的類型對象要實現 int 或 index。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

class A:    def __len__(self):        return 123    def __int__(self):        return 456a = A()print(len(a))  # 123print(int(a))  # 456# len(a) 在底層會轉成 A.__len__(a)# int(a) 在底層會轉成 A.__int__(a)print(A.__len__(a))  # 123print(A.__int__(a))  # 456

a = A()print(len(a)) # 123print(int(a)) # 456EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

len(a) 在底層會轉成 A.len(a)int(a) 在底層會轉成 A.int(a)

print(A.len(a)) # 123print(A.int(a)) # 456總之核心就是一句話:類型對象定義了哪些操作,決定了實例對象具有哪些行為。EpA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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