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Python源碼學習之PyObject和PyTypeObject

前言

Python是C語言實現的，因此Python對象在C語言層面應該是一個結構體 ，組織對象占用的內存。不同類型的對象，數據及行為均可能不同，因此可以大膽猜測：不同類型的對象由不同的結構體表示。

對象也有一些共性，比如每個對象都需要有一個引用計數，用于實現垃圾回收機制。因此，還可以進一步猜測：表示對象的結構體有一個公共頭部。

一. 實例對象的基石—PyObject和PyVarObject

PyObject和PyVarObject本質上是對象的頭部信息。

1.1 PyObject結構體

Python對象都由PyObject結構體表示，對象引用則是指針PyObject *。 PyObject結構體定義于頭文件object.h，路徑為Include/object.h，代碼如下

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

對結構體中的元素進行說明，

元素名稱	說明
ob_refcnt	引用計數，對象被其他地方引用時加一，引用解除時減一；當引用計數為零，便可將對象回收，這是最簡單的垃圾回收機制。
ob_type	類型指針指向對象的類型對象，類型對象描述實例對象的數據及行為。
_PyObject_HEAD_EXTRA	宏，同樣定義在Include/object.h頭文件內。

1.2 宏的定義

#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

如果Py_TRACE_REFS被定義，宏展開為兩個指針ob_next和ob_prev用來實現雙向鏈表。注釋中說明，雙向鏈表用于跟蹤所有活躍堆對象，一般不啟用，不深入介紹。

1.3 PyVarObject結構體

用于表示變長對象的PyVarObject結構體是在PyObject結構體的基礎上加入長度信息。

typedef struct {
    PyObject ob_base;
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
} PyVarObject;

相比object結構體增加了ob_size字段用于記錄元素個數。

1.4 兩種頭部信息宏定義及其初始化

具體實例對象視其內存大小是否固定，決定其屬于定長對象還是變長對象。相應的需要具有頭部信息PyObject或PyVarObject。

因此，頭文件準備了兩個頭部信息的宏定義PyObject_HEAD和PyObject_VAR_HEAD，方便對象使用，

#define PyObject_HEAD          PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;

宏定義說明，

#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
表示將代碼中其他出現PyObject_HEAD的地方，替換成PyObject ob_base;

1.4.1 定長對象實現

內存大小固定的浮點數類的實現只需在PyObject頭部基礎上，用一個雙精度浮點數double加以實現，

typedef struct {
    PyObject_HEAD

    double ob_fval;
} PyFloatObject;

1.4.2 變長對象實現

內存大小不固定的列表對象則需要在PyVarObject頭部的基礎上，用一個動態數組加以實現，數組存儲列表包含的對象，即 PyObject 指針，

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD

    PyObject **ob_item;
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

PyListObject底層由一個數組實現，關鍵字段是以下3個，

字段	說明
ob_item	指向動態數組的指針，數組保存元素對象指針。
allocated	動態數組總長度，即列表當前的容量。
ob_size	當前元素個數，即列表當前的長度。

列表容量不足時，Python會自動擴容，具體機制見list源碼解讀。

1.4.3 頭部信息宏初始化

PyObject_HEAD_INIT用于定長對象頭部信息初始化。將引用計數ob_refcnt設置為1并將對象類型ob_type設置成給定類型。

#define PyObject_HEAD_INIT(type)        \

    { _PyObject_EXTRA_INIT              \

    1, type },

PyVarObject_HEAD_INIT用于變長對象頭部信息初始化。在前者基礎上進一步設置長度字段ob_size。

#define PyVarObject_HEAD_INIT(type, size)       \

    { PyObject_HEAD_INIT(type) size },

在源碼中經常見到這兩個宏定義。

二. 類型對象的基石—PyTypeObject 2.1 PyTypeObject包含信息

PyObject記錄了Python中所有對象共有的信息。如引用計數、類型指針和變長對象特有的元素個數。但是還有一些細節需要考慮，

創建不同類型的對象時如何得知對象所需的內存信息
給定某個對象，如何判斷它支持什么操作

這些作為對象的元信息 ，應該由一個獨立實體保存，與對象所屬類型密切相關。PyObject中包含的ob_type指針，指向一個類型對象。類型對象PyTypeObject也在Include/object.h中定義，關鍵字段如下，

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;

    // ...
    /* Attribute descriptor and subclassing stuff */
    struct _typeobject *tp_base;

    // ......
} PyTypeObject;

類型對象PyTypeObject是一個變長對象，包含變長對象頭部信息PyObject_VAR_HEAD和專有字段，

字段	說明
類型名稱	tp_name字段
類型的繼承信息	tp_base字段指向基類對象
創建實例對象時所需的內存信息	tp_basicsize 和 tp_itemsize 字段
該類型支持的相關操作信息	tp_print、tp_getattr等函數指針

PyTypeObject就是類型對象在 Python 中的表現形式，對應著面向對象中“類”的概念。PyTypeObject結構很復雜，目前只需要知道它保存著對象的元信息，描述對象的類型即可。

2.2 類型對象和實例對象在內存中的關系

以float為例，考察類型對象和實例對象在內存中的形態和關系，

>>> float
class 'float'>
>>> pi = 3.14
>>> e = 2.71
>>> type(pi) is float
True

兩個float實例對象都是PyFloatObject結構體，除了公共頭部字段ob_refcnt和ob_type，專有字段ob_fval保存了對應的數值。
類型對象是一個PyTypeObject結構體，保存了類型名、內存分配信息以及浮點數相關操作。實例對象的ob_type字段指向類型對象，Python 據此判斷對象類型，進而獲悉關于對象的元信息。
float、pi以及e等變量只是一個指向實際對象的指針。