PyObject和PyTypeObject
- 一. 实例对象的基石—PyObject和PyVarObject
- 1.1 PyObject结构体
- 1.2 宏的定义
- 1.3 PyVarObject结构体
- 1.4 两种头部信息宏定义及其初始化
- 1.4.1 定长对象实现
- 1.4.2 变长对象实现
- 1.4.3 头部信息宏初始化
- 二. 类型对象的基石—PyTypeObject
- 2.1 PyTypeObject包含信息
- 2.2 类型对象和实例对象在内存中的关系
Python是C语言实现的，因此
Python对象在C语言层面应该是一个结构体 ，组织对象占用的内存。 不同类型的对象，数据及行为均可能不同，因此可以大胆猜测：
不同类型的对象由不同的结构体表示。
对象也有一些共性，比如每个对象都需要有一个引用计数，用于实现垃圾回收机制。因此，还可以进一步猜测：表示对象的结构体有一个公共头部。
一. 实例对象的基石—PyObject和PyVarObject
PyObject和PyVarObject本质上是对象的头部信息。
1.1 PyObject结构体
Python对象都由PyObject结构体表示，对象引用则是指针PyObject *。 PyObject结构体定义于头文件object.h，路径为Include/object.h，代码如下
typedef struct _object {
_PyObject_HEAD_EXTRA
Py_ssize_t ob_refcnt;
struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;对结构体中的元素进行说明，
元素名称 | 说明 |
ob_refcnt | 引用计数，对象被其他地方引用时加一，引用解除时减一； 当引用计数为零，便可将对象回收，这是最简单的垃圾回收机制。 |
ob_type | 类型指针指向对象的类型对象，类型对象描述实例对象的数据及行为。 |
_PyObject_HEAD_EXTRA | 宏，同样定义在Include/object.h头文件内。 |
1.2 宏的定义
#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被定义，宏展开为两个指针ob_next和ob_prev用来实现双向链表。注释中说明，双向链表用于跟踪所有活跃堆对象，一般不启用，不深入介绍。
1.3 PyVarObject结构体
用于表示变长对象的PyVarObject结构体是在PyObject结构体的基础上加入长度信息。
typedef struct {
PyObject ob_base;
Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
} PyVarObject;相比object结构体增加了ob_size字段用于记录元素个数。
1.4 两种头部信息宏定义及其初始化
具体实例对象视其内存大小是否固定，决定其属于定长对象还是变长对象。相应的需要具有头部信息PyObject或PyVarObject。
因此，头文件准备了两个头部信息的宏定义PyObject_HEAD和PyObject_VAR_HEAD，方便对象使用，
#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;宏定义说明，
#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
表示将代码中其他出现PyObject_HEAD的地方，替换成PyObject ob_base;1.4.1 定长对象实现
内存大小固定的浮点数类的实现只需在PyObject头部基础上，用一个双精度浮点数double加以实现，
typedef struct {
PyObject_HEAD
double ob_fval;
} PyFloatObject;
1.4.2 变长对象实现
内存大小不固定的列表对象则需要在PyVarObject头部的基础上，用一个动态数组加以实现，数组存储列表包含的对象，即 PyObject 指针，
typedef struct {
PyObject_VAR_HEAD
PyObject **ob_item;
Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;
PyListObject底层由一个数组实现，关键字段是以下3个，
字段 | 说明 |
ob_item | 指向动态数组的指针，数组保存元素对象指针。 |
allocated | 动态数组总长度，即列表当前的 容量。 |
ob_size | 当前元素个数，即列表当前的 长度。 |
列表容量不足时，Python会自动扩容，具体机制见list源码解读。
1.4.3 头部信息宏初始化
PyObject_HEAD_INIT用于定长对象头部信息初始化。将引用计数ob_refcnt设置为1并将对象类型ob_type设置成给定类型。
#define PyObject_HEAD_INIT(type) \
{ _PyObject_EXTRA_INIT \
1, type },PyVarObject_HEAD_INIT用于变长对象头部信息初始化。在前者基础上进一步设置长度字段ob_size。
#define PyVarObject_HEAD_INIT(type, size) \
{ PyObject_HEAD_INIT(type) size },在源码中经常见到这两个宏定义。
二. 类型对象的基石—PyTypeObject
2.1 PyTypeObject包含信息
PyObject记录了Python中所有对象共有的信息。如引用计数、类型指针和变长对象特有的元素个数。但是还有一些细节需要考虑，
- 创建不同类型的对象时如何得知对象所需的内存信息
- 给定某个对象，如何判断它支持什么操作
这些作为对象的元信息 ，应该由一个独立实体保存，与对象所属类型密切相关。PyObject中包含的ob_type指针，指向一个类型对象。类型对象PyTypeObject也在Include/object.h中定义，关键字段如下，
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;类型对象PyTypeObject是一个变长对象，包含变长对象头部信息PyObject_VAR_HEAD和专有字段，
字段 | 说明 |
类型名称 |
|
类型的继承信息 |
|
创建实例对象时所需的内存信息 |
|
该类型支持的相关操作信息 |
|
PyTypeObject就是类型对象在 Python 中的表现形式，对应着面向对象中“类”的概念。PyTypeObject结构很复杂，目前只需要知道它保存着对象的元信息，描述对象的类型即可。
2.2 类型对象和实例对象在内存中的关系
以float为例，考察类型对象和实例对象在内存中的形态和关系，
>>> float
<class 'float'>
>>> pi = 3.14
>>> e = 2.71
>>> type(pi) is float
True
- 两个float实例对象都是
PyFloatObject结构体，除了公共头部字段ob_refcnt和ob_type，专有字段ob_fval保存了对应的数值。 - 类型对象是一个
PyTypeObject结构体，保存了类型名、内存分配信息以及浮点数相关操作。实例对象的ob_type字段指向类型对象，Python 据此判断对象类型，进而获悉关于对象的元信息。 - float、pi以及e等变量只是一个指向实际对象的指针。
上图的内容并不完全正确，更深入的解读见后一篇博文。
