第二章对象模型（2）：揭开对象的神秘面纱

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原创最新推荐文章于 2026-03-27 10:47:03 发布 399 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

PyType_Type和PyBaseObject_Type PyType_Type和PyBaseObject_Type一. 类型的类型—PyType_Tpye二. 类型之基—PyBaseObject_Type PyObject和PyTypeObject内容的最后指出下图中对实例对象和类型对象的理解是不完全正确的，浮点类型对象全局唯一，Python在C语言层面实现过程中将其定义为一个全局静态变量，定义于Object/floatobject.c中，命名为PyFloat_Type。 PyTypeObject PyFloat_Type = { PyVarObje 阅读详情

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- - 前言：上一节中提到了很多的基本概念，是在python层面进行描述的，总体概念。现在我们就具体了解下
python源码，基于C语言
- 总结：我们在这里，把上节提到的不同类型的对象，还有实例对象，类型，type，object，都通过源码明白了过来！理解起来不再是靠死记硬背，真心喜欢这个老师出的这本书！讲解的非常细致，并且易于理解。并且，看不是目的，一定要理解原理，不能死记笔记。

前言：上一节中提到了很多的基本概念，是在python层面进行描述的，总体概念。现在我们就具体了解下

python源码，基于C语言

概念复习

复习一下和要清楚的前面讲的基本概念：

面向对象理论中**“ 类** ”和**“ 对象 ”这两个重要概念，在 Python 内部均以对象**的形式存在。 “类”是一种对象，称为 类型对象 ；“类”实例化生成的“对象”也是对象，称为 实例对象。

根据上文描述的，根据对象的不同特点还可以进行分类：
可变对象：对象创建后可以修改
不可变对象：对象创建后不能修改
定长对象：对象大小固定
变长对象：对象大小不固定

（后面还有可调用对象等等）

C语言实现的底层

首先 python对象在C语言底层是一个结构体，组织对象占用的内存。不同类型的对象，数据及行为均可能不同，因此不同类型的对象由不同的结构体表示。
此外，对象对比为人的话，所有人都有鼻子眼睛，所以肯定具有一些共性，比如每一个对象都需要引用计数（进行垃圾回收机制），所以，表示对象的结构体室友一个公共的头部！

PYObject，对象的基石

(因为书中有详细的介绍，源码的出处和作用，我们作为学习和理解的笔记，就不去过多介绍了)

对定长对象PYObject

首先，在python内部，对象都是由 PYObject结构体表示，对象引用则是PyObject*
我们看一下此结构体的源码：
PyObject 结构体定义于头文件 object.h ，路径为 Include/object.h

typedef struct _object {
    _PyObject_HEAD_EXTRA
    Py_ssize_t ob_refcnt;
    struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;

_PyObject_HEAD_EXTRA 宏，结构体包含以下两个字段
- 引用计数 ( ob_refcnt )：用于垃圾回收机制，当对象被引用，值加一，引用解除，减一。当引用计数变为零。
- 类型指针 ( ob_type )：指向对象的类型对象，类型对象描述实例对象的 数据及行为（记住这句话，后面介绍）
回过头来看 _PyObject_HEAD_EXTRA 宏的定义，同样在 Include/object.h 头文件内：

#ifdef Py_TRACE_REFS
/* Define pointers to support a doubly-linked list of all live heap objects. */
#define _PyObject_HEAD_EXTRA            \
    struct _object *_ob_next;           \
    struct _object *_ob_prev;

#define _PyObject_EXTRA_INIT 0, 0,

#else
#define _PyObject_HEAD_EXTRA
#define _PyObject_EXTRA_INIT
#endif

我们观察可以发现：

struct _object *_ob_next;
struct _object *_ob_prev;

这两个指针，正是用来实现双向链表的！！，也就是说，复杂的对象室友结构体以及链表进行连接表示的（后面会有图片理解）

书中原话：
结合注释，双向链表用于跟踪所有活跃堆对象，一般不启用，不深入介绍。

对变长对象：PYVarObject：

typedef struct {
    PyObject ob_base;
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */
} PyVarObject;

观察可以知道：变长对象比普通对象多一个字段 ob_size ，用于记录元素个数

如图所示：
在这里插入图片描述

至于具体对象，视其大小是否固定，需要包含头部 PyObject 或 PyVarObject 。所以准备了两个宏定义，方便其他对象调用：

#define PyObject_HEAD          PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;

下面是具体的例子，用来理解构造对象：
（1）浮点对象（上节中提到了是定长对象）

typedef struct {
    PyObject_HEAD  // 调用上面的宏定义

    double ob_fval;  // 用一个 双精度浮点数 double 加以实现：
} PyFloatObject;

在这里插入图片描述

（2）对于列表（变长对象）

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD  // 使用带ob_size的变长头部

    PyObject **ob_item;
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

在这里插入图片描述
可以看出来： PyListObject 底层由一个数组实现,而数组中存储的明显是对象的指针
ob_item: 指向动态数组的指针，数组保存元素对象指针；
allocated: 动态数组总长度，即列表当前的容量；
ob_size: 当前元素个数，即列表当前的长度；
（列表容量不足时， Python 会自动扩容，具体做法书中会在讲解 list 源码时再详细介绍）

最后是说明两个新的用于初始化对象头部的宏定义。(到现在已经提到还几个关于头部定义的东西，不要迷，搞清楚，他们都是最开始的两个的宏定义，方便使用，后续都是使用下面的两个宏定义，用于初始化头部)
- PyObject_HEAD_INIT 一般用于定长对象，将引用计数 ob_refcnt 设置为 1 并将对象类型 ob_type 设置成给定类型：

#define PyObject_HEAD_INIT(type)        \
    { _PyObject_EXTRA_INIT              \
    1, type },

PyVarObject_HEAD_INIT 在 PyObject_HEAD_INIT 基础上进一步设置长度字段 ob_size ，用于 变长对象

#define PyVarObject_HEAD_INIT(type, size)       \
    { PyObject_HEAD_INIT(type) size },

( 后续都会使用到这两个宏定义，会加深理解 )

总结：Python 中所有对象共有的信息。对于内存中的任一个对象，不管是何类型，它刚开始几个字段肯定符合我们的预期： 1. 引用计数、 2. 类型指针以及变长对象特有的（3）元素个数

PYTypeObject，类型基石

下面就是引申书中的问题：

不同类型的对象所需内存空间不同，创建对象时从哪得知内存信息呢？
对于给定对象，怎么判断它支持什么操作呢？（上文让记住的地方）

这就是上面提到的 ob_type字段。
- 对象所支持的操作和创建他的信息，其实都包含在它的类型中！！。也就是ob_type所指向的类型对象。
- ob_type所指向的是 类型对象 PyTypeObject：，在 Include/object.h 中定义（只讨论关键字段）对象的 元信息（元数据）

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name; /* For printing, in format "<module>.<name>" */
    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */

    /* Methods to implement standard operations */
    destructor tp_dealloc;
    printfunc tp_print;

    getattrfunc tp_getattr;
    setattrfunc tp_setattr;

    // ...
    /* Attribute descriptor and subclassing stuff */
    struct _typeobject *tp_base;

    // ......
} PyTypeObject;

首先我们知道 类型对象 PYTypeObject 是一个 变长对象，包含在对象头部。
部分字段：
- 类型名字：既 tp_name字段
- 类型的继承信息，例如 tp_base 字段指向基类对象
- 创建实例对象时所需的 内存信息 ，即 tp_basicsize 和 tp_itemsize 字段
- 该类型支持的相关 操作信息！！，即 tp_print 、 tp_getattr 等函数指针；(阅读过python官方文档就知道getattr这些方法，在这里明白在c中的定义，显得格外清晰)

书作者的话：
PyTypeObject 就是类型对象在 Python 中的表现形式，对应着面向对象中“类”的概念。 PyTypeObject 结构很复杂，但是我们不必在此刻完全弄懂它。先有个大概的印象，知道 PyTypeObject 保存着对象的 元信息 ，描述对象的类型即可

以浮点类型为例，考察类型对象和实例对象在内存中的形态和关系

>>> float
<class 'float'>
>>> pi = 3.14
>>> e = 2.71
>>> type(pi) is float
True

代码中各个对象在内存的形式如下图所示：
（这就是涉及到上节提到的，变量只是一个名字！，float也一样，不过是指向了浮点数类型对象）
在这里插入图片描述
其中，两个浮点实例对象都是 PyFloatObject 结构体，除了公共头部字段 ob_refcnt 和 ob_type ，专有字段 ob_fval 保存了对应的数值。浮点类型对象是一个 PyTypeObject 结构体，保存了类型名、内存分配信息以及浮点相关操作。实例对象 ob_type 字段指向类型对象， Python 据此判断对象类型，进而获悉关于对象的元信息，如操作方法等。再次提一遍，float 、 pi 以及 e 等变量只是一个指向实际对象的指针。

由于浮点类型对象全局唯一，所以再C语言层面上，作为一个全局静态定义。

在这里插入图片描述
注意到 ob_type 指针指向 PyType_Type ，这也是一个静态定义的全局变量。由此可见，代表“ 类型的类型 ” 即 type 的那个对象应该就是 PyType_Type 了！！！！

上节中我们知道，类，也就是类型对象，也有自己的类型，也就是 type：
在C语言中：type的肉身为：PyType_Type ，Object/typeobject.c 中定义

PyTypeObject PyType_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "type",                                     /* tp_name */
    sizeof(PyHeapTypeObject),                   /* tp_basicsize */
    sizeof(PyMemberDef),                        /* tp_itemsize */
    (destructor)type_dealloc,                   /* tp_dealloc */

    // ...
    (reprfunc)type_repr,                        /* tp_repr */

    // ...
};

要知道：内建类型和自定义类对应的 PyTypeObject 对象都是这个通过 PyType_Type 创建的！
PyType_Type 在 Python 的类型机制中是一个至关重要的对象，它是所有类型的类型，称为 元类型 ( meta class )！！深入到源码里讲这些，你是否对元类，以及 type有了更深的理解？哈哈！
另外：第二行，PyType_Type 将自己的 ob_type 字段设置成它自己(第 2 行)，这就解释了之前的 type的类型还是 type！

>>> type.__class__
<class 'type'>
>>> type.__class__ is type
True

到这里，我们对 元类型type在对象体系中的位置就非常清晰了！
在这里插入图片描述

再对类型清楚之后，我们就要说下面的基类： object

PyBaseObject_Type，类型之基

上节里知道：object 是另一个特殊的类型，它是所有类型的基类，我们可以在 PyFloat_Type 中 tp_base 字段找到它！
PyBaseObject_Type 就是 object 背后的实体：

PyTypeObject PyBaseObject_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "object",                                   /* tp_name */
    sizeof(PyObject),                           /* tp_basicsize */
    0,                                          /* tp_itemsize */
    object_dealloc,                             /* tp_dealloc */

    // ...
    object_repr,                                /* tp_repr */
};