1 基于 C语言的底层机制

说来你可能不信，Python 开发一年后，我们才加入“类（class）”的概念。为了解这段历史，首先要理解 Python 的一些底层实现。

Python 的底层，实际上是基于一个用C语言实现的代码解析器，或者说“虚拟机”，以及也是用C语言实现的几种基本数据类型。虽然 Python 底层架构使用了各种“对象”，但因为C语言不是面向对象语言，所以这些对象的实现，实际上是基于一些特定的数据结构与方法指针。

Python 虚拟机定义了每个对象类型都可以，或者必须实现的数十种标准方法（比如“get attribute”、“add” 、“call”等）。每个对象类型都有一个静态存储的数据空间，其中包含一系列方法指针，每个指针指向一种标准方法。不过，有些标准方法不是必须实现的，于是会出现空指针，这时，Python 虚拟机会抛出运行时错误，或者有时也提供这些方法的默认实现。

另外，对象类型的数据空间里也包含很多其它数据，包括一个存储这个类型的特有方法的列表。每种方法由一个字符串（方法名称）和一个方法指针（具体实现）组成。

Python 独特的自省（introspection）机制，就是基于其独特的，可以在运行时作为一种对象的类型数据结构。

Python 的底层完全是基于 C 语言的，事实上其所有标准方法都是用 C 语言写的。最开始时，Python 解析器只支持纯粹的 Python 函数和用 C 语言实现的这些方法。我记得应该是我们当时的同事，Siebren van der Zee，建议我们应该像 C++ 一样支持“类”，从而实现自定义对象。

2 类的实现

我采用了最简单的设计来实现用户自定义对象：所有对象的实例都用一种新的内置对象表示，这个内置对象包含一个指针和一个字典，指针指向这个实例对应的“类对象（class object）”，而字典中包含了这个对象实例的各种变量，也被称为“实例字典”。

在此实现中，实例字典中的变量是这个实例所具有的独特变量，而类对象则包含这个类的所有实例所共享的东西——尤其是方法。

而在实现类对象的时候，我依然采用了最简单的设计：类的所有方法都被存储在一个字典中，其对应的键值就是方法的名称。我把它叫做“类字典（class dictionary）”。

为支持继承，类对象也会存储指向父类对象的指针。当时，我对类的理解还非常浅薄，不过对 C++ 刚支持的多重继承特性有所了解。因此我想，既然要支持继承，不如也同时支持一个简单版的多重继承。于是，每个类对象都允许有多个父类。

基于这种实现，对象的底层运作机制其实非常简单：不论是改变实例变量还是类变量，都只是修改对应字典的数据而已。

比如说，设置实例变量时，只需要更新它的实例字典；类似地，获取实例变量时，首先检查实例字典中是否有这个变量，如果没有，就在类对象以及父类对象的字典中查找。

不过，在父类对象中查找变量还涉及一些其它问题。实例从类对象和父类对象中获取变量的过程，一般与查找方法的过程一样。如前文所说，方法存储在类对象字典中，由这个类的所有实例共享。因此，调用方法的时候，一般不会在实例字典中找到，而必须查找类对象的字典，之后再从父类对象字典中递归查找。

Python 的最初的默认方法解析顺序（method resolution order，MRO）是采用深度优先，从左至右算法。不过，后来的版本采用了更成熟的 MRO （C3算法），我们会在之后的博文中讨论。

3 简单，但灵活

我希望 Python 类的实现尽量简单。因此，Python 在查找方法的时候，并不会做错误检查或一致性验证。比如说，如果一个类重载了父类的一个方法，Python 不会检查这个重载的方法是否与父类方法有相同的参数，或者相同的调用方式。前文所说的方法解析算法，只是单纯地返回它找到的第一个方法而已。

另外，这种设计还导致了一些其它特性。比如说，虽然类字典最初是用于存储方法的，但也不是不能保存其它对象。因此，如果在类字典中存储整数或字符串，就可以作为类变量——即由所有实例共享的变量。

Python 类的实现非常简单，但也非常灵活。

比如说，因为采用了这种实现方式，Python 中的类也是“一级对象（first-class objects）”，因而在程序运行时可以很容易内省到（introspected），而我们也可以对类进行动态修改。

举例来说，在类对象创建后，通过更新类字典，我们依然可以增加或修改类的方法。（作者注：后来的新式类中，dict 类的修改被控制了，我们依然可以动态地修改类，但必须调用参数设置方法，而不是直接使用 dict 类。）而又因为 Python 是动态类型语言，这就意味着，这个类，及其子类的所有实例，都会立即更新其方法。

类似的，通过修改实例字典，实例的变量也可以动态增加、修改或删除（SmallTalk 语言在对象创建时就限制了实例的变量，与之相比，Python 的这个特性可以说相当自由了）。