Python内建类型float源码学习
时间：2022-08-14 09:29:26 | 栏目：Python代码 | 点击：次
“深入认识Python内建类型”这部分的内容会从源码角度为大家介绍Python中各种常用的内建类型。
1 回顾float的基础知识
1.1 PyFloatObject
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：
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)))
1.5 小结
最后将对象从创建到销毁整个生命周期所涉及的关键函数、宏以及调用关系整理如下：
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：
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）
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。