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Python虚拟机中字节的实现原理是什么

数据结构typedefstruct{PyObject_VAR_HEADPy_hash_tob_shash;charob_sval[1];/*Invariants:*ob_svalcontainsspacefor'ob_size+1'elements.*ob_sval[ob_size]==0.*ob_shashisthehashofthestringor-1ifnotcomputedyet.*/}PyBytesObject;typedefstruct{PyObjectob_base;Py_s

本文目录

    数据结构

    typedef struct {
        PyObject_VAR_HEAD
        Py_hash_t ob_shash;
        char ob_sval[1];
     
        /* Invariants:
         *     ob_sval contains space for 'ob_size+1' elements.
         *     ob_sval[ob_size] == 0.
         *     ob_shash is the hash of the string or -1 if not computed yet.
         */
    } PyBytesObject;
     
    typedef struct {
        PyObject ob_base;
        Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
    } PyVarObject;
     
    typedef struct _object {
        Py_ssize_t ob_refcnt;
        struct _typeobject *ob_type;
    } PyObject;

    上面的数据结构用图示如下所示:

    Python虚拟机中字节的实现原理是什么

    现在我们来解释一下上面的数据结构各个字段的含义:

    • ob_refcnt,这个还是对象的引用计数的个数,主要是在垃圾回收的时候有用。

    • ob_type,这个是对象的数据类型。

    • ob_size,表示这个对象当中字节的个数。

    • ob_shash,对象的哈希值,如果还没有计算,哈希值为 -1 。

    • ob_sval,一个数据存储一个字节的数据,需要注意的是 ob_sval[size] 一定等于 '\0' ,表示字符串的结尾。

    可能你会有疑问上面的结构体当中并没有后面的那么多字节啊,数组只有一个字节的数据啊,这是因为在 cpython 的实现当中除了申请 PyBytesObject 大的小内存空间之外,还会在这个基础之上申请连续的额外的内存空间用于保存数据,在后续的源码分析当中可以看到这一点。

    下面我们举几个例子来说明一下上面的布局:

    Python虚拟机中字节的实现原理是什么

    上面是空和字符串 abc 的字节表示。

    创建字节对象

    下面是在 cpython 当中通过字节数创建 PyBytesObject 对象的函数。下面的函数的主要功能是创建一个能够存储 size 个字节大小的数据的 PyBytesObject 对象,下面的函数最重要的一个步骤就是申请内存空间。

    static PyObject *
    _PyBytes_FromSize(Py_ssize_t size, int use_calloc)
    {
        PyBytesObject *op;
        assert(size >= 0);
     
        if (size == 0 && (op = nullstring) != NULL) {
    #ifdef COUNT_ALLOCS
            null_strings++;
    #endif
            Py_INCREF(op);
            return (PyObject *)op;
        }
     
        if ((size_t)size > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX - PyBytesObject_SIZE) {
            PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
                            "byte string is too large");
            return NULL;
        }
     
        /* Inline PyObject_NewVar */
        // PyBytesObject_SIZE + size 就是实际申请的内存空间的大小 PyBytesObject_SIZE 就是表示 PyBytesObject 各个字段占用的实际的内存空间大小
        if (use_calloc)
            op = (PyBytesObject *)PyObject_Calloc(1, PyBytesObject_SIZE + size);
        else
            op = (PyBytesObject *)PyObject_Malloc(PyBytesObject_SIZE + size);
        if (op == NULL)
            return PyErr_NoMemory();
        // 将对象的 ob_size 字段赋值成 size 
        (void)PyObject_INIT_VAR(op, &PyBytes_Type, size);
        // 由于对象的哈希值还没有进行计算 因此现将哈希值赋值成 -1
        op->ob_shash = -1;
        if (!use_calloc)
            op->ob_sval[size] = '\0';
        /* empty byte string singleton */
        if (size == 0) {
            nullstring = op;
            Py_INCREF(op);
        }
        return (PyObject *) op;
    }

    我们可以使用一个写例子来看一下实际的 PyBytesObject 内存空间的大小。

    >>> import sys
    >>> a = b"hello world"
    >>> sys.getsizeof(a)
    44
    >>>

    上面的 44 = 32 + 11 + 1 。

    其中 32 是 PyBytesObject 4 个字段所占用的内存空间,ob_refcnt、ob_type、ob_size和 ob_shash 各占 8 个字节。11 是表示字符串 "hello world" 占用 11 个字节,最后一个字节是 '\0' 。

    查看字节长度

    这个函数主要是返回 PyBytesObject 对象的字节长度,也就是直接返回 ob_size 的值。

    static Py_ssize_t
    bytes_length(PyBytesObject *a)
    {
        // (((PyVarObject*)(ob))->ob_size)
        return Py_SIZE(a);
    }

    字节拼接

    在 python 当中执行下面的代码就会执行字节拼接函数:

    >>> b"abc" + b"edf"

    下方就是具体的执行字节拼接的函数:

    /* This is also used by PyBytes_Concat() */
    static PyObject *
    bytes_concat(PyObject *a, PyObject *b)
    {
        Py_buffer va, vb;
        PyObject *result = NULL;
     
        va.len = -1;
        vb.len = -1;
        // Py_buffer 当中有一个指针字段 buf 可以用户保存 PyBytesObject 当中字节数据的首地址
        // PyObject_GetBuffer 函数的主要作用是将 对象 a 当中的字节数组赋值给 va 当中的 buf
        if (PyObject_GetBuffer(a, &va, PyBUF_SIMPLE) != 0 ||
            PyObject_GetBuffer(b, &vb, PyBUF_SIMPLE) != 0) {
            PyErr_Format(PyExc_TypeError, "can't concat %.100s to %.100s",
                         Py_TYPE(b)->tp_name, Py_TYPE(a)->tp_name);
            goto done;
        }
     
        /* Optimize end cases */
        if (va.len == 0 && PyBytes_CheckExact(b)) {
            result = b;
            Py_INCREF(result);
            goto done;
        }
        if (vb.len == 0 && PyBytes_CheckExact(a)) {
            result = a;
            Py_INCREF(result);
            goto done;
        }
     
        if (va.len > PY_SSIZE_T_MAX - vb.len) {
            PyErr_NoMemory();
            goto done;
        }
        result = PyBytes_FromStringAndSize(NULL, va.len + vb.len);
        // 下方就是将对象 a b 当中的字节数据拷贝到新的
        if (result != NULL) {
            // PyBytes_AS_STRING 宏定义在下方当中 主要就是使用 PyBytesObject 对象当中的
            // ob_sval 字段 也就是将 buf 数据(也就是 a 或者 b 当中的字节数据)拷贝到 ob_sval当中
            memcpy(PyBytes_AS_STRING(result), va.buf, va.len);
            memcpy(PyBytes_AS_STRING(result) + va.len, vb.buf, vb.len);
        }
     
      done:
        if (va.len != -1)
            PyBuffer_Release(&va);
        if (vb.len != -1)
            PyBuffer_Release(&vb);
        return result;
    }
    #define PyBytes_AS_STRING(op) (assert(PyBytes_Check(op)), \
                                    (((PyBytesObject *)(op))->ob_sval))

    我们修改一个这个函数,在其中加入一条打印语句,然后重新编译 python 执行结果如下所示:

    Python虚拟机中字节的实现原理是什么

    Python 3.9.0b1 (default, Mar 23 2023, 08:35:33) 
    [GCC 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-44)] on linux
    Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
    >>> b"abc" + b"edf"
    In concat function: abc <> edf
    b'abcedf'
    >>>

    在上面的拼接函数当中会拷贝原来的两个字节对象,因此需要谨慎使用,一旦发生非常多的拷贝的话是非常耗费内存的。因此需要警惕使用循环内的内存拼接。比如对于 [b"a", b"b", b"c"] 来说,如果使用循环拼接的话,那么会将 b"a" 拷贝两次。

    >>> res = b""
    >>> for item in  [b"a", b"b", b"c"]:
    ...     res += item
    ...
    >>> res
    b'abc'
    >>>

    因为 b"a", b"b" 在拼接的时候会将他们分别拷贝一次,在进行 b"ab",b"c" 拼接的时候又会将 ab 和 c 拷贝一次,那么具体的拷贝情况如下所示:

    • "a" 拷贝了一次。

    • "b" 拷贝了一次。

    • "ab" 拷贝了一次。

    • "c" 拷贝了一次。

    但是实际上我们的需求是只需要对 [b"a", b"b", b"c"] 当中的数据各拷贝一次,如果我们要实现这一点可以使用 b"".join([b"a", b"b", b"c"]),直接将 [b"a", b"b", b"c"] 作为参数传递,然后各自只拷贝一次,具体的实现代码如下所示,在这个例子当中 sep 就是空串 b"",iterable 就是 [b"a", b"b", b"c"] 。

    Py_LOCAL_INLINE(PyObject *)
    STRINGLIB(bytes_join)(PyObject *sep, PyObject *iterable)
    {
        char *sepstr = STRINGLIB_STR(sep);
        const Py_ssize_t seplen = STRINGLIB_LEN(sep);
        PyObject *res = NULL;
        char *p;
        Py_ssize_t seqlen = 0;
        Py_ssize_t sz = 0;
        Py_ssize_t i, nbufs;
        PyObject *seq, *item;
        Py_buffer *buffers = NULL;
    #define NB_STATIC_BUFFERS 10
        Py_buffer static_buffers[NB_STATIC_BUFFERS];
     
        seq = PySequence_Fast(iterable, "can only join an iterable");
        if (seq == NULL) {
            return NULL;
        }
     
        seqlen = PySequence_Fast_GET_SIZE(seq);
        if (seqlen == 0) {
            Py_DECREF(seq);
            return STRINGLIB_NEW(NULL, 0);
        }
    #ifndef STRINGLIB_MUTABLE
        if (seqlen == 1) {
            item = PySequence_Fast_GET_ITEM(seq, 0);
            if (STRINGLIB_CHECK_EXACT(item)) {
                Py_INCREF(item);
                Py_DECREF(seq);
                return item;
            }
        }
    #endif
        if (seqlen > NB_STATIC_BUFFERS) {
            buffers = PyMem_NEW(Py_buffer, seqlen);
            if (buffers == NULL) {
                Py_DECREF(seq);
                PyErr_NoMemory();
                return NULL;
            }
        }
        else {
            buffers = static_buffers;
        }
     
        /* Here is the general case.  Do a pre-pass to figure out the total
         * amount of space we'll need (sz), and see whether all arguments are
         * bytes-like.
         */
        for (i = 0, nbufs = 0; i < seqlen; i++) {
            Py_ssize_t itemlen;
            item = PySequence_Fast_GET_ITEM(seq, i);
            if (PyBytes_CheckExact(item)) {
                /* Fast path. */
                Py_INCREF(item);
                buffers[i].obj = item;
                buffers[i].buf = PyBytes_AS_STRING(item);
                buffers[i].len = PyBytes_GET_SIZE(item);
            }
            else if (PyObject_GetBuffer(item, &buffers[i], PyBUF_SIMPLE) != 0) {
                PyErr_Format(PyExc_TypeError,
                             "sequence item %zd: expected a bytes-like object, "
                             "%.80s found",
                             i, Py_TYPE(item)->tp_name);
                goto error;
            }
            nbufs = i + 1;  /* for error cleanup */
            itemlen = buffers[i].len;
            if (itemlen > PY_SSIZE_T_MAX - sz) {
                PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
                                "join() result is too long");
                goto error;
            }
            sz += itemlen;
            if (i != 0) {
                if (seplen > PY_SSIZE_T_MAX - sz) {
                    PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
                                    "join() result is too long");
                    goto error;
                }
                sz += seplen;
            }
            if (seqlen != PySequence_Fast_GET_SIZE(seq)) {
                PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError,
                                "sequence changed size during iteration");
                goto error;
            }
        }
     
        /* Allocate result space. */
        res = STRINGLIB_NEW(NULL, sz);
        if (res == NULL)
            goto error;
     
        /* Catenate everything. */
        p = STRINGLIB_STR(res);
        if (!seplen) {
            /* fast path */
            for (i = 0; i < nbufs; i++) {
                Py_ssize_t n = buffers[i].len;
                char *q = buffers[i].buf;
                Py_MEMCPY(p, q, n);
                p += n;
            }
            goto done;
        }
        // 具体的实现逻辑就是在这里
        for (i = 0; i < nbufs; i++) {
            Py_ssize_t n;
            char *q;
            if (i) {
                // 首先现将 sepstr 拷贝到新的数组里面但是在我们举的例子当中是空串 b""
                Py_MEMCPY(p, sepstr, seplen);
                p += seplen;
            }
            n = buffers[i].len;
            q = buffers[i].buf;
            // 然后将列表当中第 i 个 bytes 的数据拷贝到 p 当中 这样就是实现了我们所需要的效果
            Py_MEMCPY(p, q, n);
            p += n;
        }
        goto done;
     
    error:
        res = NULL;
    done:
        Py_DECREF(seq);
        for (i = 0; i < nbufs; i++)
            PyBuffer_Release(&buffers[i]);
        if (buffers != static_buffers)
            PyMem_FREE(buffers);
        return res;
    }

    单字节字符

    在 cpython 的内部实现当中给单字节的字符做了一个小的缓冲池:

    static PyBytesObject *characters[UCHAR_MAX + 1]; // UCHAR_MAX 在 64 位系统当中等于 255

    当创建的 bytes 只有一个字符的时候就可以检查是否 characters 当中已经存在了,如果存在就直接返回这个已经创建好的 PyBytesObject 对象,否则再进行创建。新创建的 PyBytesObject 对象如果长度等于 1 的话也会被加入到这个数组当中。下面是 PyBytesObject 的另外一个创建函数:

    PyObject *
    PyBytes_FromStringAndSize(const char *str, Py_ssize_t size)
    {
        PyBytesObject *op;
        if (size < 0) {
            PyErr_SetString(PyExc_SystemError,
                "Negative size passed to PyBytes_FromStringAndSize");
            return NULL;
        }
        // 如果创建长度等于 1 而且对象在 characters 当中存在的话那么就直接返回
        if (size == 1 && str != NULL &&
            (op = characters[*str & UCHAR_MAX]) != NULL)
        {
    #ifdef COUNT_ALLOCS
            one_strings++;
    #endif
            Py_INCREF(op);
            return (PyObject *)op;
        }
     
        op = (PyBytesObject *)_PyBytes_FromSize(size, 0);
        if (op == NULL)
            return NULL;
        if (str == NULL)
            return (PyObject *) op;
     
        Py_MEMCPY(op->ob_sval, str, size);
        /* share short strings */
        // 如果创建的对象的长度等于 1 那么久将这个对象保存到 characters 当中
        if (size == 1) {
            characters[*str & UCHAR_MAX] = op;
            Py_INCREF(op);
        }
        return (PyObject *) op;
    }

    我们可以使用下面的代码进行验证:

    >>> a = b"a"
    >>> b  =b"a"
    >>> a == b
    True
    >>> a is b
    True
    >>> a = b"aa"
    >>> b = b"aa"
    >>> a == b
    True
    >>> a is b
    False

    从上面的代码可以知道,确实当我们创建的 bytes 的长度等于 1 的时候对象确实是同一个对象。

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    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

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    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

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    超级简历WonderCV 网页版
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    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

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    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

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    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirServer Windows版
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    AirServer Windows版可把电脑变成AirPlay、Google Cast和Miracast无线投屏接收端,适合会议演示、课堂教学及家庭大屏分享。发送设备通常无需另装客户端,并可同时接收和智能排列多个镜像会话。