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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;
    }
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