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Python内建类型float源码分析

发布时间:2022-05-18 17:12:23 来源:亿速云 阅读:348 作者:iii 栏目:开发技术

这篇文章主要介绍“Python内建类型float源码分析”的相关知识,小编通过实际案例向大家展示操作过程,操作方法简单快捷,实用性强,希望这篇“Python内建类型float源码分析”文章能帮助大家解决问题。

1 回顾float的基础知识

1.1 PyFloatObject

Python内建类型float源码分析

1.2 PyFloat_Type

C源码(仅列出部分字段):

PyTypeObject PyFloat_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "float",
    sizeof(PyFloatObject),
    0,
    (destructor)float_dealloc,                  /* tp_dealloc */
    0,                                          /* tp_print */
    0,                                          /* tp_getattr */
    0,                                          /* tp_setattr */
    0,                                          /* tp_reserved */
    (reprfunc)float_repr,                       /* tp_repr */
    &float_as_number,                           /* tp_as_number */
    0,                                          /* tp_as_sequence */
    0,                                          /* tp_as_mapping */
    (hashfunc)float_hash,                       /* tp_hash */
    0,                                          /* tp_call */
    (reprfunc)float_repr,                       /* tp_str */
    // ...
    0,                                          /* tp_init */
    0,                                          /* tp_alloc */
    float_new,                                  /* tp_new */
};

PyFloat_Type中保存了很多关于浮点对象的元信息,关键字段包括:

tp_name:保存类型名称,常量float

tp_dealloc、tp_init、tp_alloc和tp_new:对象创建和销毁的相关函数

tp_repr:生成语法字符串表示形式的函数

tp_str:生成普通字符串表示形式的函数

tp_as_number:数值操作集

tp_hash:哈希值生成函数

1.3 对象的创建

通过类型对象创建实例对象:

Python内建类型float源码分析

通过C API创建实例对象:

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval);
PyObject *
PyFloat_FromString(PyObject *v);

1.4 对象的销毁

当对象不再需要时,Python通过Py_DECREF或者Py_XDECREF宏来减少引用计数;

当引用计数降为0时,Python通过_Py_Dealloc宏回收对象。(有关引用计数的内容后续会详细介绍)

_Py_Dealloc宏实际上调用的是*Py_TYPE(op)->tp_dealloc,对于float即调用float_dealloc:

#define _Py_Dealloc(op) (                               \
    _Py_INC_TPFREES(op) _Py_COUNT_ALLOCS_COMMA          \
    (*Py_TYPE(op)->tp_dealloc)((PyObject *)(op)))

2 空闲对象缓存池

问题:浮点运算背后涉及大量临时对象创建和销毁。

area = pi * r ** 2

这个语句首先计算半径r的平方,中间结果由一个临时对象来保存,假设是t;然后计算pi与t的乘积,得到最终结果并赋值给变量area;

最后,销毁临时对象t。创建对象时需要分配内存,销毁对象时又要回收内存,大量临时对象创建和销毁,意味着大量内存分配回收操作,这是不能接受的。

因此,Python在浮点对象销毁之后,并不急于回收内存,而是将对象放入一个空闲链表,后续需要创建浮点对象时,先到空闲链表中取,省去了部分分配内存的开销。

2.1 浮点对象的空闲链表

C源码:

#ifndef PyFloat_MAXFREELIST
#define PyFloat_MAXFREELIST    100
#endif
static int numfree = 0;
static PyFloatObject *free_list = NULL;

源码解读:

free_list变量:指向空闲链表头节点的指针

numfree变量:维护空闲链表当前长度

PyFloat_MAXFREELIST宏:限制空闲链表的最大长度,避免占用过多内存

为了保持简洁,Python把ob_type字段当作next指针来用,将空闲对象串成链表。float空闲链表图示如下:

Python内建类型float源码分析

个人体会:

Python中这样的池技术很多地方都在用,并且在实际工程中,这也是一种广泛使用的方式,大家可以具体体会下。

“把ob_type字段当作next指针来用“,这种方式可以学习,但是也要结合实际情况:可读性,是否需要节省这部分内存等等。

2.2 空闲链表的使用

有了空闲链表之后,需要创建浮点对象时,可以从链表中取出空闲对象,省去申请内存的开销,以PyFloat_FromDouble()为例:(只列出部分代码)

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type);
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}

检查free_list是否为空

如果free_list非空,取出头节点备用,free_list指向第二个节点(这里看代码调用的是Py_TYPE(),

也就是op的ob_type字段,也就是第二个节点),并将numfree减1

如果free_list为空,则调用PyObject_MALLOC分配内存

最后会通过PyObject_INIT对op进行相应设置(包括修改ob_type),然后设置ob_fval为fval

图示如下:(对比2.1中的图示,可以看到free_list指向了第二个节点,并且第一个节点的ob_type字段也不再指向第二个节点,而是指向对应的类型对象)

Python内建类型float源码分析

对象销毁时,Python将其缓存在空闲链表中,以备后用。float_dealloc函数源码如下:

static void
float_dealloc(PyFloatObject *op)
{
    if (PyFloat_CheckExact(op)) {
        if (numfree >= PyFloat_MAXFREELIST)  {
            PyObject_FREE(op);
            return;
        }
        numfree++;
        Py_TYPE(op) = (struct _typeobject *)free_list;
        free_list = op;
    }
    else
        Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
}

若空闲链表长度达到限制值,调用PyObject_FREE回收对象内存

若空闲链表长度未达到限制值,则将对象插到空闲链表头部(这里可以顺带复习下头插法,hh)

3 其他

问题:以下例子中,变量e的id值为何与已销毁的变量pi相同?

>>> pi = 3.14
>>> id(pi)
4565221808
>>> del pi
>>> e = 2.71
>>> id(e)
4565221808

答:在3.14这个浮点数对象被销毁时,并没有直接回收其内存,而是将对象缓存在空闲链表中,此时3.14这个浮点数对象为空闲链表头节点;

当创建浮点对象2.71时,此时空闲链表非空,则取出空闲链表的头节点,修改ob_fval值为2.71,因此两个对象的id是一样的。

关于“Python内建类型float源码分析”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识,可以关注亿速云行业资讯频道,小编每天都会为大家更新不同的知识点。

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