Python 源码剖析（二）【整数对象】

二、整数对象

1、PyIntObject

2、PyIntObject 对象的创建和维护

3、Hack PyIntObject

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1、PyIntObject

PyIntObject的定义：

[intobject.h]

typedef struct {

PyObject_HEAD

long ob_ival;

} PyIntObject;

其类型对象为PyInt_Type：

[intobject.c]

PyTypeObject PyInt_Type = {

PyObject_HEAD_INIT(&PyType_Type)

0,

"int",

sizeof(PyIntObject),

0,

(destructor)int_dealloc,        /* tp_dealloc */

(printfunc)int_print,           /* tp_print */

0,                  /* tp_getattr */

0,                  /* tp_setattr */

(cmpfunc)int_compare,           /* tp_compare */

(reprfunc)int_repr,         /* tp_repr */

&int_as_number,             /* tp_as_number */

0,                  /* tp_as_sequence */

0,                  /* tp_as_mapping */

(hashfunc)int_hash,         /* tp_hash */

0,                  /* tp_call */

(reprfunc)int_repr,         /* tp_str */

PyObject_GenericGetAttr,        /* tp_getattro */

0,                  /* tp_setattro */

0,                  /* tp_as_buffer */

Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_CHECKTYPES | Py_TPFLAGS_BASETYPE, /* tp_flags */

int_doc,                /* tp_doc */

0,                  /* tp_traverse */

0,                  /* tp_clear */

0,                  /* tp_richcompare */

0,                  /* tp_weaklistoffset */

0,                  /* tp_iter */

0,                  /* tp_iternext */

int_methods,        /* tp_methods */

0,                  /* tp_members */

0,                  /* tp_getset */

0,                  /* tp_base */

0,                  /* tp_dict */

0,                  /* tp_descr_get */

0,                  /* tp_descr_set */

0,                  /* tp_dictoffset */

0,                  /* tp_init */

0,                  /* tp_alloc */

int_new,                /* tp_new */

(freefunc)int_free,                 /* tp_free */

};

可见PyInt_Type保存着PyIntObject的元信息，包括这些操作：

int_dealloc	删除PyIntObject对象
int_free	删除PyIntObject对象
int_repr	转化成PyString对象
int_hash	获得HASH值
int_print	打印PyIntObject对象
int_compare	比较操作
int_as_number	数值操作
int_methods	成员函数

比较操作代码，其实就是将包装的long进行比较：

[intobject.c]

static int int_compare(PyIntObject *v, PyIntObject *w)

{

register long i = v->ob_ival;

register long j = w->ob_ival;

return (i < j) ? -1 : (i > j) ? 1 : 0;

}

注意int_as_number，其实是一个PyNumberMethods结构体：

[intobject.c]

static PyNumberMethods int_as_number = {

(binaryfunc)int_add,    /*nb_add*/

(binaryfunc)int_sub,    /*nb_subtract*/

(binaryfunc)int_mul,    /*nb_multiply*/

……

(binaryfunc)int_div,    /* nb_floor_divide */

int_true_divide,    /* nb_true_divide */

0,          /* nb_inplace_floor_divide */

0,          /* nb_inplace_true_divide */

};

PyNumberMethods定义了38个数值操作，如加法：

[intobject.h]

/* Macro, trading safety for speed */

#define PyInt_AS_LONG(op) (((PyIntObject *)(op))->ob_ival)

[intobject.c]

#define CONVERT_TO_LONG(obj, lng)       \

if (PyInt_Check(obj)) {         \

lng = PyInt_AS_LONG(obj);   \

}                   \

else {                  \

Py_INCREF(Py_NotImplemented);   \

return Py_NotImplemented;   \

}

static PyObject *

int_add(PyIntObject *v, PyIntObject *w)

{

register long a, b, x;

CONVERT_TO_LONG(v, a);

CONVERT_TO_LONG(w, b);

x = a + b;

if ((x^a) >= 0 || (x^b) >= 0)

return PyInt_FromLong(x);

return PyLong_Type.tp_as_number->nb_add((PyObject *)v, (PyObject *)w);

}

如果没有溢出，就返回一个新的PyIntObject，否则返回一个PyLongObject。

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2、PyIntObject 对象的创建和维护

2.1、Python创建的途径

有三种途径可获得一个PyIntObject对象：

　　PyObject *PyInt_FromLong(long ival)

　　PyObject*　PyInt_FromString(char *s, char **pend, int base)

#ifdef Py_USING_UNICODE

PyObject*PyInt_FromUnicode(Py_UNICODE *s, int length, int base)

#endif

其中PyInt_FromString时先转成浮点数再调用PyInt_FromLong：

[intobject.c]

PyObject*　PyInt_FromString(char *s, char **pend, int base)

{

    char *end;

    long x;

    ．．．．．．

//convert string to long

if (base == 0 && s[0] == '0') 

{

        x = (long) PyOS_strtoul(s, &end, base);

    }

else

        x = PyOS_strtol(s, &end, base);

    ．．．．．．

    return PyInt_FromLong(x);

}

2.2、小整数对象

频繁申请、释放空间会降低运行效率、产生系统堆内存碎片，影响python性能。因此对于经常使用的整数，python使用对象池技术，并将小整数（对象池保存范围）定位[-5,100)：

[intobject.c]

#ifndef NSMALLPOSINTS

#define NSMALLPOSINTS       100

#endif

#ifndef NSMALLNEGINTS

#define NSMALLNEGINTS       5

#endif

#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0

/* References to small integers are saved in this array so that they

   can be shared.

   The integers that are saved are those in the range

   -NSMALLNEGINTS (inclusive) to NSMALLPOSINTS (not inclusive).

*/

static PyIntObject *small_ints[NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS];

#endif

2.3、大整数对象

对于大整数，pyhton则是使用内存池，提供一个free_list保存，谁需要保存谁：

[intobject.c]

#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;

PyIntBlock的单向列表通过block_list维护，而这些block中的PyIntObject的列表中可以被使用的内存通过free_list来维护（一个block可放82个PyIntObject）。

2.4、添加和删除

看一下产生PyIntObject：

[intobject.c]

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 *)v->ob_type;

    PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);

    v->ob_ival = ival;

    return (PyObject *) v;

}

先判断是否为小整数，是的话返回对象池中的小整数；否则转向block_list，调用fill_free_list：

[intobject.c]

static PyIntObject* fill_free_list(void)

{

    PyIntObject *p, *q;

    /* Python's object allocator isn't appropriate for large blocks. */

    p = (PyIntObject *) PyMem_MALLOC(sizeof(PyIntBlock));

    if (p == NULL)

        return (PyIntObject *) PyErr_NoMemory();

    ((PyIntBlock *)p)->next = block_list;

    block_list = (PyIntBlock *)p;

    /* Link the int objects together, from rear to front, then return

       the address of the last int object in the block. */

    p = &((PyIntBlock *)p)->objects[0];

    q = p + N_INTOBJECTS;

    while (--q > p)

        q->ob_type = (struct _typeobject *)(q-1);

    q->ob_type = NULL;

    return p + N_INTOBJECTS - 1;

}

当一个block没被填满时，不会再调用fill_free_list申请新空间，free_list指向可用空间，block_list指向最新创建的PyIntBlock对象。

注意，但某个对象被删除时，free_list会指向该空间，不会造成空间浪费：

[intobject.c]

static void int_dealloc(PyIntObject *v)

{

    if (PyInt_CheckExact(v)) {

        v->ob_type = (struct _typeobject *)free_list;

        free_list = v;

    }

    else

        v->ob_type->tp_free((PyObject *)v);

}

2.5、小整数对象池的初始化

小整数对象池small_ints初始化 _PyInt_Init：

[intobject.c]

int _PyInt_Init(void)

{

    PyIntObject *v;

    int ival;

#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0

for (ival = -NSMALLNEGINTS; ival < NSMALLPOSINTS; ival++) 

{

        if (!free_list && (free_list = fill_free_list()) == NULL)

            return 0;

        /* PyObject_New is inlined */

        v = free_list;

        free_list = (PyIntObject *)v->ob_type;

        PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);

        v->ob_ival = ival;

        small_ints[ival + NSMALLNEGINTS] = v;

    }

#endif

    return 1;

}

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3、Hack PyIntObject

修改int_print源码查看block_list、free_list、小整数缓冲池信息：

static int int_print(PyIntObject *v, FILE *fp, int flags)

{

PyIntObject* intObjectPtr;

PyIntBlock *p = block_list;

PyIntBlock *last = NULL;

int count = 0;

int i;

while(p != NULL)

{

++count;

last = p;

p = p->next;

}

intObjectPtr = last->objects;

intObjectPtr += N_INTOBJECTS - 1;

printf("address @%p\n", v);

printf("********** value\trefCount **********\n");

for(i = 0; i < 10; ++i, --intObjectPtr)

{

printf("%d\t\t%d\n", intObjectPtr->ob_ival, intObjectPtr->ob_refcnt);

}

printf("block_list count : %d\n", count);

printf("free_list : %p\n\n", free_list);

return 0;

}

有兴趣的可以试一下。