Python源码分析（一）

最近想学习下Python的源码，希望写个系列博客，记录的同时督促自己学习。

Python源码目录

从Python.org中下载源代码压缩包并解压，我下载的是Python2.7.12，解压后：

对于主要的文件夹做出介绍：

Include:包含Python提供的所有头文件，如果需要自己使用C或者C++编写自定义模块扩展Python，就需要用到这里的头文件；

Lib： 包含Python自带的所有标准库，全部由Python语言编写；

Modules：包含了所有使用C语言编写的模块；

Parser：Python解释器中的Scanner和Parser（对Python代码进行词法分析和语法分析），这里还包含一些能根据Python语言的语法自动生成Python词法和语法功能的工具；

Objects：所有Python的内建对象；

Python：Python解释器中的Compiler和执行引擎部分，是Python运行的核心所在!!!

Python中的对象

　　对象可以说是Python最核心的一个概念，在Python的世界里，一切都是对象。我们知道Python是由C编写的，C并不是一个面向对象语言，而由C编写的Python确实面向对象的，那么它的对象机制是如何实现的呢？

　　对于人的思维，对象是可以形象描述的，但是对于计算机而言，对象是一个抽象的概念，计算机所知道的一切都是字节。关于对象，通常的说法是，对象是数据以及基于这些数据的操作的集合，在计算机中，一个对象实际就是把一片被分配的内存空间，且这片内存在更高层次可作为一个整体，这个整体就是一个对象。

　　在Python中，对象就是C中的结构体在堆上申请的一块内存。

对象机制的基石——Pyobject
在Python中，所有的东西都是对象，而所有的对象都拥有一些相同的内容，Python中的这些内容都是在object.h中的Pyobject中定义的。

typedef struct _object {
    PyObject_HEAD
} PyObject;

定长对象和变长对象

Python除了Pyobject对象之外，还有一个表示这类对象的结构体pyVarObject，pyVarobject其实就是对pyobject的一个扩展。
那么站在源码的角度上分析，变长对象是在pyVarobject中添加了可变长度数据的对象，也就是ob_size，定义了所容纳元素的个数。定长对象和变长对象的区别是：定长对象的不同对象占用的内存大小是一样的，变长对象的不同对象占用的内存可能是不一样的。比如整数对象'1'和'100'占用的内存大小都是sizeof(PyIntObject），而字符串对象"me"和"you"占用的内存大小就不一样。

Python对象的多态性

　　面向对象中一个重要的特性是多态，那么Python是如何实现多态的呢？
　　在Python创建一个对象时，会分配内存，进行初始化，然后Python内部会使用一个PyObject*变量来保存和维护这个对象，Python中的所有对象均是如此。比如创建一个PyIntObject对象（整数对象），不是通过PyIntObject *变量来保存和维护这个对象，而是通过PyObject *，正因为所有对象均如此，所以Python内部各个函数之间传递的都是一种范型指针（Pyobject*)，而这个指针所指的对象究竟是什么类型的，我们是不知道的，只能从指针所指对象的ob_type域动态进行判断，而正是这个域，Python实现了多态。

引用计数

　　和C或C++不同，Python选择使用语言本身负责内存的管理和维护，也就是垃圾收集机制，代替程序员进行繁重的内存管理工作，而引用计数刚好是Python垃圾收集机制的一部分。
　　Python通过对一个对象的引用计数来管理和维护对象在内存中的存在与否。Python中的一切皆是对象，在所有的对象中有一个ob_refcent变量，维护这对象的引用计数，从而也决定该对象的创建与消亡。
在Python中，使用Py_INCREF(op)和Py_DECREF(op)两个宏来增加和减少一个对象的引用计数，在每一个对象创建的时候，Python提供了一个Py_NewReference(op)宏来将对象的引用计数初始化为1。
　　当一个对象的引用计数为0时，与该对象对应的析构函数将被调用， 但是调用析构函数并不一定是调用free释放内存空间，为了避免频繁的申请、释放内存空间，Python中使用的是内存对象池，维护一定大小的内存对象池，调用析构函数时，对象占用的空间将归还到内存池中。

Python中的整数对象
　　在Python的所有对象中，整数对象最简单且使用最频繁，故我们首先学习整数对象。关于整数对象的源码在Objects.intobjects.c中，整数对象是通过PyIntObject对象来完成的，在创建一个PyIntObject对象之后，就再也不能改变该对象的值了。定义为:

typedef struct {
    prObject_HEAD;
    long ob_ival;
}PyIntObject;

　　可以看到，Python中的整数对象其实是对C中long的一个简单封装，也就是整数对象维护的数据的长度在对象定义时就已经确定了，就是C中long的长度。
　　在Python中，整数的使用是很广泛的，对应的，它的创建和释放也将会很频繁，那么如何设计一个高效的机制，使得整数对象的使用不会成为Python的瓶颈？在Python中是使用整数对象的缓冲池机制来解决此问题。使用缓冲池机制，那意味着运行时的整数对象并不是一个个独立的，而是相关联结成一个庞大的整数对象系统了。
小整数对象
　　在实际的编程中，数值比较小的整数，比如1,2,等等，这些在程序中是频繁使用到的，而Python中，所有的对象都存活在系统堆上，也就是说，如果没有特殊的机制，对于小整数对象，Python将一次次的malloc在堆上申请空间，然后free，这样的操作将大大降低了运行效率。
那么如何解决呢？Python中，对小整数对象使用了对象池技术。
那么又有一个问题了，Python中的大对象和小对象如何区分呢？嗯，Python中确实有一种方法，用户可以调整大整数和小整数的分界点，从而动态的确定小整数的对象池中应该有多少个小整数对象，但是调整的方法只有自己修改源代码，然后重新编译。
大整数对象
　　对于小整数，小整数对象池中完全的缓存PyIntObject对象，对于其它对象，Python将提供一块内存空间，这些内存空间将由这些大整数轮流使用，也就是谁需要的时候谁使用。
　　比如，在Python中有一个PyIntBlock结构，维护了一块内存，其中保存了一些PyIntObject对象，维护对象的个数也可以做动态的调整。在Python运行的某个时刻，有一些内存已经被使用，而另一些内存则处于空闲状态，而这些空闲的内存必须组织起来，那样，当Python需要新的内存时，才能快速的获得所需的内存，在Python中使用一个单向链表(free_list）来管理所有的空闲内存。

#define BLOCK_SIZE      1000    /* 1K less typical malloc overhead */
#define BHEAD_SIZE      8       /* Enough for a 64-bit pointer */
#define N_INTOBJECTS    ((BLOCK_SIZE - BHEAD_SIZE) / sizeof(PyIntObject))

struct _intblock {
    struct _intblock *next;
    PyIntObject objects[N_INTOBJECTS];
};

typedef struct _intblock PyIntBlock;

static PyIntBlock *block_list = NULL;
static PyIntObject *free_list = NULL;

创建
　　现在,我们已经大体知道Python中整数对象系统在内存是一种怎样的结构了，下面将介绍一个个PyIntObject是怎样的从无到有的产生。主要分为两步：
　　如果小整数对象池机制被激活，则尝试使用小整数对象池；如果不能使用小整数对象池，则使用通用整数对象池。

以PyInt_FromLong说明：

PyObject *
PyInt_FromLong(long ival)
{
    register PyIntObject *v;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
    if (-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS) {
        v = small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
        Py_INCREF(v);
#ifdef COUNT_ALLOCS
        if (ival >= 0)
            quick_int_allocs++;
        else
            quick_neg_int_allocs++;
#endif
        return (PyObject *) v;
    }
#endif
    if (free_list == NULL) {
        if ((free_list = fill_free_list()) == NULL)
            return NULL;
    }
    /* Inline PyObject_New */
    v = free_list;
    free_list = (PyIntObject *)Py_TYPE(v);
    PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
    v->ob_ival = ival;
    return (PyObject *) v;
}