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Python内建类型str源码解析

1Unicode计算机存储的基本单位是字节,由8个比特位组成。由于英文只由26个字母加若干符号组成,因此英文字符可以直接用字节来保存。但是其他语言(例如中日韩等),由于字符众多,不得不使用多个字节来进行编码。随着计算机技术的传播,非拉丁文字符编码技术不断发展,但是仍然存在两个比较大的局限性:不支持多语言:一种语言的编码方案不能用于另外一种语言没有统一标准:例如中文就有GBK、GB2312、GB18030等多种编码标准由于编码方式不统一,开发人员就需要在不同编码之间来回转换,不可避免地会出现很多错误。为了解

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    1 Unicode

    计算机存储的基本单位是字节,由8个比特位组成。由于英文只由26个字母加若干符号组成,因此英文字符可以直接用字节来保存。但是其他语言(例如中日韩等),由于字符众多,不得不使用多个字节来进行编码。

    随着计算机技术的传播,非拉丁文字符编码技术不断发展,但是仍然存在两个比较大的局限性:

    • 不支持多语言:一种语言的编码方案不能用于另外一种语言

    • 没有统一标准:例如中文就有GBK、GB2312、GB18030等多种编码标准

    由于编码方式不统一,开发人员就需要在不同编码之间来回转换,不可避免地会出现很多错误。为了解决这类不统一问题,Unicode标准被提出了。Unicode对世界上大部分文字系统进行整理、编码,让计算机可以用统一的方式处理文本。Unicode目前已经收录了超过14万个字符,天然地支持多语言。(Unicode的uni就是“统一”的词根)

    2 Python中的Unicode

    2.1 Unicode对象的好处

    Python在3之后,str对象内部改用Unicode表示,因此在源码中成为Unicode对象。使用Unicode表示的好处是:程序核心逻辑统一使用Unicode,只需在输入、输出层进行解码、编码,可最大程度地避免各种编码问题。

    图示如下:

    Python内建类型str源码解析

    2.2 Python对Unicode的优化

    问题:由于Unicode收录字符已经超过14万个,每个字符至少需要4个字节来保存(这里应该是因为2个字节不够,所以才用4个字节,一般不会使用3个字节)。而英文字符用ASCII码表示仅需要1个字节,使用Unicode反而会使频繁使用的英文字符的开销变为原来的4倍。

    首先我们来看一下Python中不同形式的str对象的大小差异:

    >>> sys.getsizeof('ab') - sys.getsizeof('a')
    1
    >>> sys.getsizeof('一二') - sys.getsizeof('一')
    2
    >>> sys.getsizeof('????????') - sys.getsizeof('????')
    4

    由此可见,Python内部对Unicode对象进行了优化:根据文本内容,选择底层存储单元。

    Unicode对象底层存储根据文本字符的Unicode码位范围分成三类:

    • PyUnicode_1BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+00FF之间

    • PyUnicode_2BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+FFFF之间,且至少有一个字符的码位大于U+00FF

    • PyUnicode_1BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+10FFFF之间,且至少有一个字符的码位大于U+FFFF

    对应枚举如下:

    enum PyUnicode_Kind {
    /* String contains only wstr byte characters.  This is only possible
       when the string was created with a legacy API and _PyUnicode_Ready()
       has not been called yet.  */
        PyUnicode_WCHAR_KIND = 0,
    /* Return values of the PyUnicode_KIND() macro: */
        PyUnicode_1BYTE_KIND = 1,
        PyUnicode_2BYTE_KIND = 2,
        PyUnicode_4BYTE_KIND = 4
    };

    根据不同的分类,选择不同的存储单元:

    /* Py_UCS4 and Py_UCS2 are typedefs for the respective
       unicode representations. */
    typedef uint32_t Py_UCS4;
    typedef uint16_t Py_UCS2;
    typedef uint8_t Py_UCS1;

    对应关系如下:

    文本类型字符存储单元字符存储单元大小(字节)
    PyUnicode_1BYTE_KINDPy_UCS11
    PyUnicode_2BYTE_KINDPy_UCS22
    PyUnicode_4BYTE_KINDPy_UCS44

    由于Unicode内部存储结构因文本类型而异,因此类型kind必须作为Unicode对象公共字段进行保存。Python内部定义了一些标志位,作为Unicode公共字段:(介于笔者水平有限,这里的字段在后续内容中不会全部介绍,大家后续可以自行了解。抱拳~)

    • interned:是否为interned机制维护

    • kind:类型,用于区分字符底层存储单元大小

    • compact:内存分配方式,对象与文本缓冲区是否分离

    • asscii:文本是否均为纯ASCII

    通过PyUnicode_New函数,根据文本字符数size以及最大字符maxchar初始化Unicode对象。该函数主要是根据maxchar为Unicode对象选择最紧凑的字符存储单元以及底层结构体:(源码比较长,这里就不列出了,大家可以自行了解,下面以表格形式展现)

     maxchar < 128128 <= maxchar < 256256 <= maxchar < 6553665536 <= maxchar < MAX_UNICODE
    kindPyUnicode_1BYTE_KINDPyUnicode_1BYTE_KINDPyUnicode_2BYTE_KINDPyUnicode_4BYTE_KIND
    ascii1000
    字符存储单元大小(字节)1124
    底层结构体PyASCIIObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObject

    3 Unicode对象的底层结构体

    3.1 PyASCIIObject

    C源码:

    typedef struct {
        PyObject_HEAD
        Py_ssize_t length;          /* Number of code points in the string */
        Py_hash_t hash;             /* Hash value; -1 if not set */
        struct {
            unsigned int interned:2;
            unsigned int kind:3;
            unsigned int compact:1;
            unsigned int ascii:1;
            unsigned int ready:1;
            unsigned int :24;
        } state;
        wchar_t *wstr;              /* wchar_t representation (null-terminated) */
    } PyASCIIObject;

    源码分析:

    length:文本长度

    hash:文本哈希值

    state:Unicode对象标志位

    wstr:缓存C字符串的一个wchar_t指针,以“\0”结束(这里和我看的另一篇文章讲得不太一样,另一个描述是:ASCII文本紧接着位于PyASCIIObject结构体后面,我个人觉得现在的这种说法比较准确,毕竟源码结构体后面没有别的字段了)

    图示如下:

    (注意这里state字段后面有一个4字节大小的空洞,这是结构体字段内存对齐造成的现象,主要是为了优化内存访问效率)

    Python内建类型str源码解析

    ASCII文本由wstr指向,以’abc’和空字符串对象’'为例:

    Python内建类型str源码解析

    Python内建类型str源码解析

    3.2 PyCompactUnicodeObject

    如果文本不全是ASCII,Unicode对象底层便由PyCompactUnicodeObject结构体保存。C源码如下:

    /* Non-ASCII strings allocated through PyUnicode_New use the
       PyCompactUnicodeObject structure. state.compact is set, and the data
       immediately follow the structure. */
    typedef struct {
        PyASCIIObject _base;
        Py_ssize_t utf8_length;     /* Number of bytes in utf8, excluding the
                                     * terminating \0. */
        char *utf8;                 /* UTF-8 representation (null-terminated) */
        Py_ssize_t wstr_length;     /* Number of code points in wstr, possible
                                     * surrogates count as two code points. */
    } PyCompactUnicodeObject;

    PyCompactUnicodeObject在PyASCIIObject的基础上增加了3个字段:

    utf8_length:文本UTF8编码长度

    utf8:文本UTF8编码形式,缓存以避免重复编码运算

    wstr_length:wstr的“长度”(这里所谓的长度没有找到很准确的说法,笔者也不太清楚怎么能打印出来,大家可以自行研究下)

    注意到,PyASCIIObject中并没有保存UTF8编码形式,这是因为ASCII本身就是合法的UTF8,这也是ASCII文本底层由PyASCIIObject保存的原因。

    结构图示:

    Python内建类型str源码解析

    3.3 PyUnicodeObject

    PyUnicodeObject则是Python中str对象的具体实现。C源码如下:

    /* Strings allocated through PyUnicode_FromUnicode(NULL, len) use the
       PyUnicodeObject structure. The actual string data is initially in the wstr
       block, and copied into the data block using _PyUnicode_Ready. */
    typedef struct {
        PyCompactUnicodeObject _base;
        union {
            void *any;
            Py_UCS1 *latin1;
            Py_UCS2 *ucs2;
            Py_UCS4 *ucs4;
        } data;                     /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */
    } PyUnicodeObject;

    3.4 示例

    在日常开发时,要结合实际情况注意字符串拼接前后的内存大小差别:

    >>> import sys
    >>> text = 'a' * 1000
    >>> sys.getsizeof(text)
    1049
    >>> text += '????'
    >>> sys.getsizeof(text)
    4080

    4 interned机制

    如果str对象的interned标志位为1,Python虚拟机将为其开启interned机制,

    源码如下:(相关信息在网上可以看到很多说法和解释,这里笔者能力有限,暂时没有找到最确切的答案,之后补充。抱拳~但是我们通过分析源码应该是能看出一些门道的)

    /* This dictionary holds all interned unicode strings.  Note that references
       to strings in this dictionary are *not* counted in the string's ob_refcnt.
       When the interned string reaches a refcnt of 0 the string deallocation
       function will delete the reference from this dictionary.
       Another way to look at this is that to say that the actual reference
       count of a string is:  s->ob_refcnt + (s->state ? 2 : 0)
    */
    static PyObject *interned = NULL;
    void
    PyUnicode_InternInPlace(PyObject **p)
    {
        PyObject *s = *p;
        PyObject *t;
    #ifdef Py_DEBUG
        assert(s != NULL);
        assert(_PyUnicode_CHECK(s));
    #else
        if (s == NULL || !PyUnicode_Check(s))
            return;
    #endif
        /* If it's a subclass, we don't really know what putting
           it in the interned dict might do. */
        if (!PyUnicode_CheckExact(s))
            return;
        if (PyUnicode_CHECK_INTERNED(s))
            return;
        if (interned == NULL) {
            interned = PyDict_New();
            if (interned == NULL) {
                PyErr_Clear(); /* Don't leave an exception */
                return;
            }
        }
        Py_ALLOW_RECURSION
        t = PyDict_SetDefault(interned, s, s);
        Py_END_ALLOW_RECURSION
        if (t == NULL) {
            PyErr_Clear();
            return;
        }
        if (t != s) {
            Py_INCREF(t);
            Py_SETREF(*p, t);
            return;
        }
        /* The two references in interned are not counted by refcnt.
           The deallocator will take care of this */
        Py_REFCNT(s) -= 2;
        _PyUnicode_STATE(s).interned = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
    }

    可以看到,源码前面还是做一些基本的检查。我们可以看一下37行和50行:将s添加到interned字典中时,其实s同时是key和value(这里我不太清楚为什么会这样做),所以s对应的引用计数是+2了的(具体可以看PyDict_SetDefault()的源码),所以在50行时会将计数-2,保证引用计数的正确。

    考虑下面的场景:

    >>> class User:
        def __init__(self, name, age):
            self.name = name
            self.age = age
    >>> user = User('Tom', 21)
    >>> user.__dict__
    {'name': 'Tom', 'age': 21}

    由于对象的属性由dict保存,这意味着每个User对象都要保存一个str对象‘name’,这会浪费大量的内存。而str是不可变对象,因此Python内部将有潜在重复可能的字符串都做成单例模式,这就是interned机制。Python具体做法就是在内部维护一个全局dict对象,所有开启interned机制的str对象均保存在这里,后续需要使用的时候,先创建,如果判断已经维护了相同的字符串,就会将新创建的这个对象回收掉。

    示例:

    由不同运算生成’abc’,最后都是同一个对象:

    >>> a = 'abc'
    >>> b = 'ab' + 'c'
    >>> id(a), id(b), a is b
    (2752416949872, 2752416949872, True)
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