展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > Python虚拟机中整型的实现原理是什么

Python虚拟机中整型的实现原理是什么

数据结构在cpython内部的int类型的实现数据结构如下所示:typedefstruct_longobjectPyLongObject;struct_longobject{PyObject_VAR_HEADdigitob_digit[1];};#definePyObject_VAR_HEADPyVarObjectob_base;typedefstruct{PyObjectob_base;Py_ssize_tob_size;/*Numberofitemsinvariablepart*/}PyVarObje

本文目录

    数据结构

    在 cpython 内部的 int 类型的实现数据结构如下所示:

    typedef struct _longobject PyLongObject;
    struct _longobject {
        PyObject_VAR_HEAD
        digit ob_digit[1];
    };
    #define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;
    typedef struct {
        PyObject ob_base;
        Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
    } PyVarObject;
    typedef struct _object {
        _PyObject_HEAD_EXTRA
        Py_ssize_t ob_refcnt;
        struct _typeobject *ob_type;
    } PyObject;

    上面的数据结构用图的方式表示出来如下图所示:

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    • ob_refcnt,表示对象的引用记数的个数,这个对于垃圾回收很有用处,后面我们分析虚拟机中垃圾回收部分在深入分析。

    • ob_type,表示这个对象的数据类型是什么,在 python 当中有时候需要对数据的数据类型进行判断比如 isinstance, type 这两个关键字就会使用到这个字段。

    • ob_size,这个字段表示这个整型对象数组 ob_digit 当中一共有多少个元素。

    • digit 类型其实就是 uint32_t 类型的一个 宏定义,表示 32 位的整型数据。

    深入分析 PyLongObject 字段的语意

    首先我们知道在 python 当中的整数是不会溢出的,这正是 PyLongObject 使用数组的原因。在 cpython 内部的实现当中,整数有 0 、正数、负数,对于这一点在 cpython 当中有以下几个规定:

    • ob_size,保存的是数组的长度,ob_size 大于 0 时保存的是正数,当 ob_size 小于 0 时保存的是负数。

    • ob_digit,保存的是整数的绝对值。在前面我们谈到了,ob_digit 是一个 32 位的数据,但是在 cpython 内部只会使用其中的前 30 位,这只为了避免溢出的问题。

    我们下面使用几个例子来深入理解一下上面的规则:

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    在上图当中 ob_size 大于 0 ,说明这个数是一个正数,而 ob_digit 指向一个 int32 的数据,数的值等于 10,因此上面这个数表示整数 10 。

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    同理 ob_size 小于 0,而 ob_digit 等于 10,因此上图当中的数据表示 -10 。

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    上面是一个 ob_digit 数组长度为 2 的例子,上面所表示数据如下所示:

    1⋅20+1⋅21+1⋅22+...+1⋅229+0⋅230+0⋅231+1⋅232

    因为对于每一个数组元素来说我们只使用前 30 位,因此到第二个整型数据的时候正好对应着 230,大家可以对应着上面的结果了解整个计算过程。

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    上面也就很简单了:

    −(1⋅20+1⋅21+1⋅22+...+1⋅229+0⋅230+0⋅231+1⋅232)

    小整数池

    为了避免频繁的创建一些常用的整数,加快程序执行的速度,我们可以将一些常用的整数先缓存起来,如果需要的话就直接将这个数据返回即可。在 cpython 当中相关的代码如下所示:(小整数池当中缓存数据的区间为[-5, 256])

    #define NSMALLPOSINTS           257
    #define NSMALLNEGINTS           5
     
    static PyLongObject small_ints[NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS];

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    我们使用下面的代码进行测试,看是否使用了小整数池当中的数据,如果使用的话,对于使用小整数池当中的数据,他们的 id() 返回值是一样的,id 这个内嵌函数返回的是 python 对象的内存地址。

    >>> a = 1
    >>> b = 2
    >>> c = 1
    >>> id(a), id(c)
    (4343136496, 4343136496)
    >>> a = -6
    >>> c = -6
    >>> id(a), id(c)
    (4346020624, 4346021072)
    >>> a = 257
    >>> b = 257
    >>> id(a), id(c)
    (4346021104, 4346021072)
    >>>

    从上面的结果我们可以看到的是,对于区间[-5, 256]当中的值,id 的返回值确实是一样的,不在这个区间之内的返回值就是不一样的。

    我们还可以这个特性实现一个小的 trick,就是求一个 PyLongObject 对象所占的内存空间大小,因为我们可以使用 -5 和 256 这两个数据的内存首地址,然后将这个地址相减就可以得到 261 个 PyLongObject 所占的内存空间大小(注意虽然小整数池当中一共有 262 个数据,但是最后一个数据是内存首地址,并不是尾地址,因此只有 261 个数据),这样我们就可以求一个 PyLongObject 对象的内存大小。

    >>> a = -5
    >>> b = 256
    >>> (id(b) - id(a)) / 261
    32.0
    >>>

    从上面的输出结果我们可以看到一个 PyLongObject 对象占 32 个字节。我们可以使用下面的 C 程序查看一个 PyLongObject 真实所占的内存空间大小。

    #include "Python.h"
    #include 
     
    int main()
    {
      printf("%ld\n", sizeof(PyLongObject));
      return 0;
    }

    上面的程序的输出结果如下所示:

    Python虚拟机中整型的实现原理是什么

    上面两个结果是相等的,因此也验证了我们的想法。

    从小整数池当中获取数据的核心代码如下所示:

    static PyObject *
    get_small_int(sdigit ival)
    {
        PyObject *v;
        assert(-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS);
        v = (PyObject *)&small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
        Py_INCREF(v);
        return v;
    }

    整数的加法实现

    如果你了解过大整数加法就能够知道,大整数加法的具体实现过程了,在 cpython 内部的实现方式其实也是一样的,就是不断的进行加法操作然后进行进位操作。

    #define Py_ABS(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x)) // 返回 x 的绝对值
    #define PyLong_BASE	((digit)1 << PyLong_SHIFT)
    #define PyLong_MASK	((digit)(PyLong_BASE - 1))
     
     
    static PyLongObject *
    x_add(PyLongObject *a, PyLongObject *b)
    {
        // 首先获得两个整型数据的 size 
        Py_ssize_t size_a = Py_ABS(Py_SIZE(a)), size_b = Py_ABS(Py_SIZE(b));
        PyLongObject *z;
        Py_ssize_t i;
        digit carry = 0;
        // 确保 a 保存的数据 size 是更大的
        /* Ensure a is the larger of the two: */
        if (size_a < size_b) {
            { PyLongObject *temp = a; a = b; b = temp; }
            { Py_ssize_t size_temp = size_a;
                size_a = size_b;
                size_b = size_temp; }
        }
        // 创建一个新的 PyLongObject 对象,而且数组的长度是 size_a + 1
        z = _PyLong_New(size_a+1);
        if (z == NULL)
            return NULL;
        // 下面就是整个加法操作的核心
        for (i = 0; i < size_b; ++i) {
            carry += a->ob_digit[i] + b->ob_digit[i];
            // 将低 30 位的数据保存下来
            z->ob_digit[i] = carry & PyLong_MASK;
            // 将 carry 右移 30 位,如果上面的加法有进位的话 刚好可以在下一次加法当中使用(注意上面的 carry)
            // 使用的是 += 而不是 =
            carry >>= PyLong_SHIFT; // PyLong_SHIFT = 30
        }
        // 将剩下的长度保存 (因为 a 的 size 是比 b 大的)
        for (; i < size_a; ++i) {
            carry += a->ob_digit[i];
            z->ob_digit[i] = carry & PyLong_MASK;
            carry >>= PyLong_SHIFT;
        }
        // 最后保存高位的进位
        z->ob_digit[i] = carry;
        return long_normalize(z); // long_normalize 这个函数的主要功能是保证 ob_size 保存的是真正的数据的长度 因为可以是一个正数加上一个负数 size 还变小了
    }
     
    PyLongObject *
    _PyLong_New(Py_ssize_t size)
    {
        PyLongObject *result;
        /* Number of bytes needed is: offsetof(PyLongObject, ob_digit) +
           sizeof(digit)*size.  Previous incarnations of this code used
           sizeof(PyVarObject) instead of the offsetof, but this risks being
           incorrect in the presence of padding between the PyVarObject header
           and the digits. */
        if (size > (Py_ssize_t)MAX_LONG_DIGITS) {
            PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
                            "too many digits in integer");
            return NULL;
        }
        // offsetof 会调用 gcc 的一个内嵌函数 __builtin_offsetof 
        // offsetof(PyLongObject, ob_digit)  这个功能是得到 PyLongObject 对象 字段 ob_digit 之前的所有字段所占的内存空间的大小
        result = PyObject_MALLOC(offsetof(PyLongObject, ob_digit) +
                                 size*sizeof(digit));
        if (!result) {
            PyErr_NoMemory();
            return NULL;
        }
        // 将对象的 result 的引用计数设置成 1
        return (PyLongObject*)PyObject_INIT_VAR(result, &PyLong_Type, size);
    }
     
     
    static PyLongObject *
    long_normalize(PyLongObject *v)
    {
        Py_ssize_t j = Py_ABS(Py_SIZE(v));
        Py_ssize_t i = j;
     
        while (i > 0 && v->ob_digit[i-1] == 0)
            --i;
        if (i != j)
            Py_SIZE(v) = (Py_SIZE(v) < 0) ? -(i) : i;
        return v;
    }
    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    编程开发 Python
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    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。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    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。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    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。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    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。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    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。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    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。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    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。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    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。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    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。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    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
    AirServer Windows版

    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。