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Python內建類型float源碼學習_python

作者：Blanker_711 ? 更新時間： 2022-07-13 編程語言

“深入認識Python內建類型”這部分的內容會從源碼角度為大家介紹Python中各種常用的內建類型。

1 回顧float的基礎知識

1.1 PyFloatObject

1.2 PyFloat_Type

C源碼（僅列出部分字段）：

PyTypeObject PyFloat_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "float",
    sizeof(PyFloatObject),
    0,
    (destructor)float_dealloc,                  /* tp_dealloc */
    0,                                          /* tp_print */
    0,                                          /* tp_getattr */
    0,                                          /* tp_setattr */
    0,                                          /* tp_reserved */
    (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 */
    (reprfunc)float_repr,                       /* tp_str */
    // ...
    0,                                          /* tp_init */
    0,                                          /* tp_alloc */
    float_new,                                  /* tp_new */
};

PyFloat_Type中保存了很多關于浮點對象的元信息，關鍵字段包括：

tp_name：保存類型名稱，常量float

tp_dealloc、tp_init、tp_alloc和tp_new：對象創建和銷毀的相關函數

tp_repr：生成語法字符串表示形式的函數

tp_str：生成普通字符串表示形式的函數

tp_as_number：數值操作集

tp_hash：哈希值生成函數

1.3 對象的創建

通過類型對象創建實例對象：

通過C API創建實例對象：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval);
PyObject *
PyFloat_FromString(PyObject *v);

1.4 對象的銷毀

當對象不再需要時，Python通過Py_DECREF或者Py_XDECREF宏來減少引用計數；

當引用計數降為0時，Python通過_Py_Dealloc宏回收對象。（有關引用計數的內容后續會詳細介紹）

_Py_Dealloc宏實際上調用的是*Py_TYPE(op)->tp_dealloc，對于float即調用float_dealloc：

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

1.5 小結

最后將對象從創建到銷毀整個生命周期所涉及的關鍵函數、宏以及調用關系整理如下：

2 空閑對象緩存池

問題：浮點運算背后涉及大量臨時對象創建和銷毀。

area = pi * r ** 2

這個語句首先計算半徑r的平方，中間結果由一個臨時對象來保存，假設是t；然后計算pi與t的乘積，得到最終結果并賦值給變量area；

最后，銷毀臨時對象t。創建對象時需要分配內存，銷毀對象時又要回收內存，大量臨時對象創建和銷毀，意味著大量內存分配回收操作，這是不能接受的。

因此，Python在浮點對象銷毀之后，并不急于回收內存，而是將對象放入一個空閑鏈表，后續需要創建浮點對象時，先到空閑鏈表中取，省去了部分分配內存的開銷。

2.1 浮點對象的空閑鏈表

C源碼：

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

源碼解讀：

free_list變量：指向空閑鏈表頭節點的指針

numfree變量：維護空閑鏈表當前長度

PyFloat_MAXFREELIST宏：限制空閑鏈表的最大長度，避免占用過多內存

為了保持簡潔，Python把ob_type字段當作next指針來用，將空閑對象串成鏈表。float空閑鏈表圖示如下：

個人體會：

Python中這樣的池技術很多地方都在用，并且在實際工程中，這也是一種廣泛使用的方式，大家可以具體體會下。

“把ob_type字段當作next指針來用“，這種方式可以學習，但是也要結合實際情況：可讀性，是否需要節省這部分內存等等。

2.2 空閑鏈表的使用

有了空閑鏈表之后，需要創建浮點對象時，可以從鏈表中取出空閑對象，省去申請內存的開銷，以PyFloat_FromDouble()為例：（只列出部分代碼）

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;
}

檢查free_list是否為空

如果free_list非空，取出頭節點備用，free_list指向第二個節點（這里看代碼調用的是Py_TYPE()，

也就是op的ob_type字段，也就是第二個節點），并將numfree減1

如果free_list為空，則調用PyObject_MALLOC分配內存

最后會通過PyObject_INIT對op進行相應設置（包括修改ob_type），然后設置ob_fval為fval

圖示如下：（對比2.1中的圖示，可以看到free_list指向了第二個節點，并且第一個節點的ob_type字段也不再指向第二個節點，而是指向對應的類型對象）

對象銷毀時，Python將其緩存在空閑鏈表中，以備后用。float_dealloc函數源碼如下：

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);
}

若空閑鏈表長度達到限制值，調用PyObject_FREE回收對象內存

若空閑鏈表長度未達到限制值，則將對象插到空閑鏈表頭部（這里可以順帶復習下頭插法，hh）

3 其他

問題：以下例子中，變量e的id值為何與已銷毀的變量pi相同？

>>> pi = 3.14
>>> id(pi)
4565221808
>>> del pi
>>> e = 2.71
>>> id(e)
4565221808

答：在3.14這個浮點數對象被銷毀時，并沒有直接回收其內存，而是將對象緩存在空閑鏈表中，此時3.14這個浮點數對象為空閑鏈表頭節點；

當創建浮點對象2.71時，此時空閑鏈表非空，則取出空閑鏈表的頭節點，修改ob_fval值為2.71，因此兩個對象的id是一樣的。

原文鏈接：https://blog.csdn.net/xiaoli_Jenny/article/details/124387595

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