第二章对象模型（3）：从创建到销毁，对象的生命周期

1. 对象的创建

首先我们需要观察思考：

• Python 内部是如何从无到有创建一个浮点对象的
• Python 又是怎么知道该如何将它打印到屏幕上的呢？

>>> pi = 3.14

>>> print(pi)
3.14

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下面以 floatl类型为例子，对应C实体是 PyFloat_Type

• 首先来介绍C API

• Python 是用 C 写成的，对外提供了 C API ，让用户可以从 C 环境中与其交互。 Python 内部也大量使用这些 API ，为了更好研读源码，先系统了解 API 组成结构很有必要。 C API 分为两类： 泛型 API 以及 特型 API 。

  • （1）泛型 API
    • 泛型 API 与类型无关，属于 抽象对象层 ( Abstract Object Layer )，简称 AOL 。 这类 API 参数是 PyObject* ，可处理任意类型的对象， API 内部根据对象类型区别处理
    • 我的理解就是通用的接口， 就像人一样，每个人都需要 吃饭，睡觉。 吃饭，睡觉，就是泛型API，处理任意类型的对象（人），所谓抽象，就是不是具体指某个实际对象，而是抽提出来的公共部分，所称为 抽象。（看过java基础，对抽象类概念的理解）
    • 以对象打印函数为例子：

int
PyObject_Print(PyObject *op, FILE *fp, int flags)

接口第一个参数为待打印对象，可以是任意类型的对象，因此参数类型是 PyObject* 。 Python 内部一般都是通过 PyObject* 引用对象，以达到泛型化的目的
* 对于任意类型的对象，均可调用 PyObject_Print 将其打印出来（抽象）

// 打印浮点对象
PyObject *fo = PyFloatObject_FromDouble(3.14);
PyObject_Print(fo, stdout, 0);

// 打印整数对象
PyObject *lo = PyFloatObject_FromLong(100);
PyObject_Print(lo, stdout, 0);

PyObject_Print 接口内部根据对象类型，决定如何输出对象。

• （2）特型 API
  • 特型 API 与类型相关，属于 具体对象层 ( Concrete Object Layer )，简称 COL 。 这类 API 只能作用于某种类型的对象，例如浮点对象 PyFloatObject 。 Python 内部为每一种内置对象提供了这样一组 API
  • 很容易理解，就是针对 某个类型，提供特定的方法接口。
    例如：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)

PyFloat_FromDouble 创建一个浮点对象，并将它初始化为给定值 fval 。

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对象的创建

到这里我们终于要讲对象的创建了！ 当然前面的介绍是少不了的

• 经过上面一节的学习，我们知道了 元数据的概念，它保存在类型对象中。
  • 1.元数据 保存着创建对象的 内存等在这里插入代码片信息。
  • 2.支持的操作 。
  • 3 也包括对象如何创建的信息。
• 实际上，不管创建爱你对象的流程如何，最终的关键步骤都是 分配内存。

总结起来python内部通过两种方式创建对象

• （1）通过 C API ，例如 PyFloat_FromDouble ，多用于内建类型；比如 上面提到的 float
• （2） 通过类型对象，例如 Dog ，多用于自定义类型
• 通过类型对象创建实例对象，是一个更通用的流程（大部分创建多使用这个方法），同时支持内置类型和自定义类型。 以创建浮点对象为例，我们还可以通过浮点类型 PyFloat_Type 来创建：例如

>>> pi = float('3.14')
>>> pi
3.14

2.对象的调用及多态性

（1）可调用对象：

• 上面通过调用 类型对象的方式创出来的一个实例 pi， 这就说明对象是可调用的
• 对象被调用时，执行的函数肯定是定义在了类型当中，那里保存着实例对象（类型对象之前所过，也是被type实例的 实例对象）的元信息
• 所以再type中（PyType_Type）：找到一个字段：tp_call

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

    // ...
    (ternaryfunc)type_call,                     /* tp_call */

    // ...
};

我们知道了，当实例对象被调用时，便执行 tp_call 字段保存的处理函数。！这就是 python对象调用当中，底层C中的实现！！！

• 因此 float(‘3.14’) 在 C 层面等价于：

PyFloat_Type.ob_type.tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)
1. 首先浮点类型对象 ，调用ob_type字段对应的 类型： PyType_Type
2. 调用其中的tp_call， 完成对象的调用


即：
PyType_Type.tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)


最终执行， type_call 函数：
type_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)

书作者：调用参数通过 args 和 kwargs 两个对象传递，先不展开，留到函数机制中详细介绍。

• 下面我们开始看type_call 函数，定义于 Include/typeobject.c ，关键代码如下

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    PyObject *obj;

    // ...
    obj = type->tp_new(type, args, kwds);
    obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
    if (obj == NULL)
        return NULL;

    // ...
    type = Py_TYPE(obj);
    if (type->tp_init != NULL) {
        int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
        if (res < 0) {
            assert(PyErr_Occurred());
            Py_DECREF(obj);
            obj = NULL;
        }
        else {
            assert(!PyErr_Occurred());
        }
    }
    return obj;
}

• 不懂C语言没关系，只要能看懂大概：
  *（1）调用类型对象 tp_new 函数指针 申请内存 (第 7 行)；
  • （2）必要时调用类型对象 tp_init 函数指针对对象进行 初始化 (第 15 行)

到这里对象的创建过程已经十分清晰了！

总结一下：

• 调用 float （这里类型对象创建实例）， Python 最终执行其类型对象 type 的 tp_call 函数；
• tp_call 函数调用 float 的 tp_new 函数为实例对象分配 内存空间
• tp_call 函数必要时进一步调用 tp_init 函数对实例对象进行 初始化

（2）对象的多态性实现

• 首先，要实现多态性，首先要明白什么是多态！我找到一篇文章，里面例子介绍什么是多态，希望 认真观看：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1646997242602110678&wfr=spider&for=pc
• 面相对象程序设计的三大特性：封装性，继承性，多态性！
• 我的理解，多态性，先从这个词理解就是：多种形态， 指的就是一个类型的属性或方法在子类中表现为不同的形态，既多种形态。就像上面的链接中的例子：多态性的应用实例， 我们三次执行时，调用的都是父类的同一个方法：construct()， 而传入的参数不同，父类会调用不同的 子类方法实现。

那么内部C语言层面上具体是如何进行实现多态性的呢？

• 类似于上面所说的，Python 创建一个对象，比如 PyFloatObject ，会分配内存，并进行初始化。 此后， Python 内部统一通过一个 PyObject* 变量来保存和维护这个对象，而不是通过 PyFloatObject* 变量
• 通过PyObject* 变量保存和维护对象，可以实现更抽象的上层逻辑，而不用关心对象的实际类型和实现细节。也就是泛型。抽象的，任何实际类型都可以传入，并完成对应的保存和维护。
• 文中提到：以对象哈希值计算为例，假设有这样一个函数接口：

Py_hash_t
PyObject_Hash(PyObject *v);
// 该函数可以计算任意对象的哈希值，不管对象类型是啥。 例如，计算浮点对象哈希值：

PyObject *fo = PyFloatObject_FromDouble(3.14);
PyObject_Hash(fo);

// 对于其他类型，例如整数对象，也是一样的：
PyObject *lo = PyLongObject_FromLong(100);
PyObject_Hash(lo);

• 可以看到上面的例子，一个函数，可以解决所有类型的对象求hash值的操作，答案在Object/object.c中

Py_hash_t
PyObject_Hash(PyObject *v)
{
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(v);
    if (tp->tp_hash != NULL)
        return (*tp->tp_hash)(v);
    /* To keep to the general practice that inheriting
    * solely from object in C code should work without
    * an explicit call to PyType_Ready, we implicitly call
    * PyType_Ready here and then check the tp_hash slot again
    */
    if (tp->tp_dict == NULL) {
        if (PyType_Ready(tp) < 0)
            return -1;
        if (tp->tp_hash != NULL)
            return (*tp->tp_hash)(v);
    }
    /* Otherwise, the object can't be hashed */
    return PyObject_HashNotImplemented(v);
}

• 首先函数通过ob_type 指针找到对象的类型 (第 4 行)
• 然后通过类型对象的 tp_hash 函数指针，调用对应的哈希值计算函数 (第 6 行)。
• 也就是说： PyObject_Hash 根据对象的类型，调用不同的函数版本！！ 这不就是多态吗？！ 类似于上面链接中讲的例子，根据传入的实例对象不同，而调用对象的相对应方法完成操作！ 这就是通过 ob_type 字段， Python 在 C 语言层面实现了对象的 多态 特性！

对象的行为

• 我们上面的一节 通过提出两个问题说过，对象的 元数据保存在 类型对象中，并且规定了对象的 行为，既操作。
• 不同对象的行为不同，比如哈希值计算方法就不同，由类型对象中 tp_hash 字段决定。 除了 tp_hash ，我们看到 PyTypeObject 结构体还定义了很多函数指针，这些指针最终都会指向某个函数，或者为空。 这些函数指针可以看做是 类型对象 中定义的 操作 ，这些操作决定对应 实例对象 在运行时的 行为 。
• 然而，除了对象特有的行为，不同对象还会有一些共性：比如 整数对象 和 浮点对象 都支持加减乘除等 数值型操作， 元组对象 tuple 和 列表对象 list 都支持下标索引操作，

>>> 1 + 2
3
>>> 3.14 * 3.14
9.8596

• 因此根据对象的行为，将对象进行分类：
  
  （这也是很好的理解了，python中的对象分类！，受益匪浅，大彻大悟~）

• Python 便以此为依据，为每个类别都定义了一个 标准操作集 ：

  • PyNumberMethods 结构体定义了 数值型 操作
  • PySequenceMethods 结构体定义了 序列型 操作；
  • PyMappingMethods 结构体定义了 关联型 操作

• 只要 类型对象 提供相关 操作集 ， 实例对象 便具备对应的 行为！

• 这里截取书中部分代码，展示例子：

// 以 float 为例，类型对象 PyFloat_Type 相关字段是这样初始化的：
PyTypeObject PyFloat_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "float",
    sizeof(PyFloatObject),

    // ...
    &float_as_number,                           /* tp_as_number */
    0,                                          /* tp_as_sequence */
    0,                                          /* tp_as_mapping */

    // ...
};

• 解析：
  • 字段 tp_as_number 非空，因此 float 对象 支持数值型操作 ；
  • 字段 tp_as_sequence 为空，因此 float 对象 不支持序列型操作 ；
  • 字段 tp_as_mapping 为空，因此 float 对象 不支持关联型操作 ；

引用计数

原话引入：

简单的例子（均引用书中例子）：

>>> a = 3.14
>>> sys.getrefcount(a)
2
# 这里注意：对象作为函数参数传递，需要将引用计数加一，避免对象被提前销毁；
# 函数返回时，再将引用计数减一。 因此，例子中 getrefcount 函数看到的对象引用计数为 2 ！！

# 接着，变量赋值让对象多了一个引用，这很好理解：
>>> b = a
>>> sys.getrefcount(a)
3

# 将对象放在容器对象中，引用计数也增加了，符合预期：
>>> l = [a]
>>> l
[3.14]
>>> sys.getrefcount(a)
4

# 我们将 b 变量删除，引用计数减少了：
>>> del b
>>> sys.getrefcount(a)
3

# 接着，将列表清空，引用计数进一步下降：

>>> l.clear()
>>> sys.getrefcount(a)
2

# 最后，将变量 a 删除后，引用计数降为 0 ，便不复存在了：

>>> del a

• python中很多场景涉及到 应用计数的调整：
  • 容器操作
  • 变量赋值
  • 函数参数传递
  • 属性操作
• 为此，Python 定义了两个非常重要的宏，用于维护对象应用计数。 其中， Py_INCREF 将对象应用计数加一 ( 3 行)：

#define Py_INCREF(op) (                         \
    _Py_INC_REFTOTAL  _Py_REF_DEBUG_COMMA       \
    ((PyObject *)(op))->ob_refcnt++)

• Py_DECREF 将引用计数减一 ( 5 行)，并在引用计数为 0 时回收对象 ( 8 行)：

#define Py_DECREF(op)                                   \
    do {                                                \
        PyObject *_py_decref_tmp = (PyObject *)(op);    \
        if (_Py_DEC_REFTOTAL  _Py_REF_DEBUG_COMMA       \
        --(_py_decref_tmp)->ob_refcnt != 0)             \
            _Py_CHECK_REFCNT(_py_decref_tmp)            \
        else                                            \
            _Py_Dealloc(_py_decref_tmp);                \
    } while (0)

最后：（作者话语）
当一个对象引用计数为 0 ， Python 便调用对象对应的析构函数销毁对象，但这并不意味着对象内存一定会回收。 为了提高内存分配效率， Python 为一些常用对象维护了内存池， 对象回收后内存进入内存池中，以便下次使用，由此 避免频繁申请、释放内存 。

内存池 技术作为程序开发的高级话题，需要更大的篇幅，放在后续章节中介绍。 让我们期待吧！，我也会持续学习，总结

总结：这一节我们学习了对象的生命周期。知道了如何创建一个对象，实现多态性，以及如何 规定一个对象所具有的行为，以及简单垃圾回收机制，理解对象的销毁。后面会深入的去讲解Python的内置类型，比如list，dict，str等！ 期待一起学习，进步！