深入理解Python虚拟机中元组(tuple)的实现原理及源码

目录
  • 元组的结构
  • 元组操作函数源码剖析
    • 创建元组
    • 查看元组的长度
    • 元组当中是否包含数据
    • 获取和设置元组中的数据
    • 释放元组内存空间
  • 总结

元组的结构

在这一小节当中主要介绍在 python 当中元组的数据结构:

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
    PyObject *ob_item[1];

    /* ob_item contains space for 'ob_size' elements.
     * Items must normally not be NULL, except during construction when
     * the tuple is not yet visible outside the function that builds it.
     */
} PyTupleObject;

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

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

从上面的数据结构来看和 list 的数据结构基本上差不多,最终的使用方法也差不多。将上面的结构体展开之后,PyTupleObject 的结构大致如下所示:

现在来解释一下上面的各个字段的含义:

  • Py_ssize_t,一个整型数据类型。
  • ob_refcnt,表示对象的引用记数的个数,这个对于垃圾回收很有用处,后面我们分析虚拟机中垃圾回收部分在深入分析。
  • ob_type,表示这个对象的数据类型是什么,在 python 当中有时候需要对数据的数据类型进行判断比如 isinstance, type 这两个关键字就会使用到这个字段。
  • ob_size,这个字段表示这个元组当中有多少个元素。
  • ob_item,这是一个指针,指向真正保存 python 对象数据的地址,大致的内存他们之间大致的内存布局如下所示:

需要注意的是元组的数组大小是不能够进行更改的,这一点和 list 不一样,我们可以注意到在 list 的数据结构当中还有一个 allocated 字段,但是在元组当中是没有的,这主要是因为元组的数组大小是固定的,而列表的数组大小是可以更改的。

元组操作函数源码剖析

创建元组

首先我们需要了解一下在 cpython 内部关于元组内存分配的问题,首先和 list 一样,在 cpython 当中对于分配的好的元组进行释放的时候,并不会直接进行释放,而是会先保存下来,当下次又有元组申请内存的时候,直接将这块内存进行返回即可。

在 cpython 内部会进行缓存的元组大小为 20,如果元组的长度为 0 - 19 那么在申请分配内存之后释放并不会直接释放,而是将其先保存下来,下次有需求的时候直接分配,而不需要申请。在 cpython 内部,相关的定义如下所示:

static PyTupleObject *free_list[PyTuple_MAXSAVESIZE];
static int numfree[PyTuple_MAXSAVESIZE];
  • free_list,保存指针——指向被释放的元组。
  • numfree,对应的下标表示元组当中元素的个数,numfree[i] 表示有 i 个元素的元组的个数。

下面是新建 tuple 对象的源程序:

PyObject *
PyTuple_New(Py_ssize_t size)
{
    PyTupleObject *op;
    Py_ssize_t i;
    if (size < 0) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0
    // 如果申请一个空的元组对象 当前的 free_list 当中是否存在空元组对象 如果存在则直接返回
    if (size == 0 && free_list[0]) k
        op = free_list[0];
        Py_INCREF(op);
        return (PyObject *) op;
    }
    // 如果元组的对象元素个数小于 20 而且对应的 free_list 当中还有余下的元组对象 则不需要进行内存申请直接返回
    if (size < PyTuple_MAXSAVESIZE && (op = free_list[size]) != NULL) {
        free_list[size] = (PyTupleObject *) op->ob_item[0];
        numfree[size]--;
        /* Inline PyObject_InitVar */
        _Py_NewReference((PyObject *)op); // _Py_NewReference 这个宏是将对象 op 的引用计数设置成 1
    }
    else
#endif
    {
        /* Check for overflow */
        // 如果元组的元素个数大或者等于 20 或者 当前 free_list 当中没有没有剩余的对象则需要进行内存申请
        if ((size_t)size > ((size_t)PY_SSIZE_T_MAX - sizeof(PyTupleObject) -
                    sizeof(PyObject *)) / sizeof(PyObject *)) {
          	// 如果元组长度大于某个值直接报内存错误
            return PyErr_NoMemory();
        }
        // 申请元组大小的内存空间
        op = PyObject_GC_NewVar(PyTupleObject, &PyTuple_Type, size);
        if (op == NULL)
            return NULL;
    }
		// 初始化内存空间
    for (i=0; i < size; i++)
        op->ob_item[i] = NULL;
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0
    // 因为 size == 0 的元组不会进行修改操作 因此可以直接将这个申请到的对象放到 free_list 当中以备后续使用
    if (size == 0) {
        free_list[0] = op;
        ++numfree[0];
        Py_INCREF(op);          /* extra INCREF so that this is never freed */
    }
#endif
    _PyObject_GC_TRACK(op); // _PyObject_GC_TRACK 这个宏是将对象 op 将入到垃圾回收队列当中
    return (PyObject *) op;
}

新建元组对象的流程如下所示:

  • 查看 free_list 当中是否已经存在空闲的元组,如果有则直接进行返回。
  • 如果没有,则进行内存分配,然后将申请的内存空间进行初始化操作。
  • 如果 size == 0,则可以将新分配的元组对象放到 free_list 当中。

查看元组的长度

这个功能比较简单,直接只用 cpython 当中的宏 Py_SIZE 即可。他的宏定义为 #define Py_SIZE(ob) (((PyVarObject*)(ob))->ob_size)。

static Py_ssize_t
tuplelength(PyTupleObject *a)
{
    return Py_SIZE(a);
}

元组当中是否包含数据

这个其实和 list 一样,就是遍历元组当中的数据,然后进行比较即可。

static int
tuplecontains(PyTupleObject *a, PyObject *el)
{
    Py_ssize_t i;
    int cmp;

    for (i = 0, cmp = 0 ; cmp == 0 && i < Py_SIZE(a); ++i)
        cmp = PyObject_RichCompareBool(el, PyTuple_GET_ITEM(a, i),
                                           Py_EQ);
    return cmp;
}

获取和设置元组中的数据

这两个方法也比较简单,首先检查数据类型是不是元组类型,然后判断是否越界,之后就返回数据,或者设置对应的数据。

这里在设置数据数据的时候需要注意一点的是,当设置新的数据的时候,原来的 python 对象引用计数需要减去一,同理如果设置没有成功的话传入的新的数据的引用计数也需要减去一。

PyObject *
PyTuple_GetItem(PyObject *op, Py_ssize_t i)
{
    if (!PyTuple_Check(op)) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    if (i < 0 || i >= Py_SIZE(op)) {
        PyErr_SetString(PyExc_IndexError, "tuple index out of range");
        return NULL;
    }
    return ((PyTupleObject *)op) -> ob_item[i];
}

int
PyTuple_SetItem(PyObject *op, Py_ssize_t i, PyObject *newitem)
{
    PyObject *olditem;
    PyObject **p;
    if (!PyTuple_Check(op) || op->ob_refcnt != 1) {
        Py_XDECREF(newitem);
        PyErr_BadInternalCall();
        return -1;
    }
    if (i < 0 || i >= Py_SIZE(op)) {
        Py_XDECREF(newitem);
        PyErr_SetString(PyExc_IndexError,
                        "tuple assignment index out of range");
        return -1;
    }
    p = ((PyTupleObject *)op) -> ob_item + i;
    olditem = *p;
    *p = newitem;
    Py_XDECREF(olditem);
    return 0;
}

释放元组内存空间

当我们在进行垃圾回收的时候,判定一个对象的引用计数等于 0 的时候就需要释放这块内存空间(相当于析构函数),下面就是释放 tuple 内存空间的函数。

static void
tupledealloc(PyTupleObject *op)
{
    Py_ssize_t i;
    Py_ssize_t len =  Py_SIZE(op);
    PyObject_GC_UnTrack(op); // PyObject_GC_UnTrack 将对象从垃圾回收队列当中移除
    Py_TRASHCAN_SAFE_BEGIN(op)
    if (len > 0) {
        i = len;
        while (--i >= 0)
            // 将这个元组指向的对象的引用计数减去一
            Py_XDECREF(op->ob_item[i]);
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0
        // 如果这个元组对象满足加入 free_list  的条件,则将这个元组对象加入到 free_list 当中
        if (len < PyTuple_MAXSAVESIZE &&
            numfree[len] < PyTuple_MAXFREELIST &&
            Py_TYPE(op) == &PyTuple_Type)
        {
            op->ob_item[0] = (PyObject *) free_list[len];
            numfree[len]++;
            free_list[len] = op;
            goto done; /* return */
        }
#endif
    }
    Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
done:
    Py_TRASHCAN_SAFE_END(op)
}

将元组的内存空间回收的时候,主要有以下几个步骤:

  • 将元组对象从垃圾回收链表当中移除。
  • 将元组指向的所有对象的引用计数减一。
  • 判断元组是否满足保存到 free_list 当中的条件,如果满足就将他加入到 free_list 当中去,否则回收这块内存。加入到 free_list 当中整个元组当中 ob_item 指向变化如下所示:

如果不能够将释放的元组对象加入到 free_list 当中,否则将内存释放回收。

总结

在本篇文章当中主要介绍了在 cpython 当中是如何实现 tuple 的,以及相关的数据结构和一些基本的使用函数,最后简单谈了关于元组内存释放的问题,这里面还是涉及一些其他的知识点,不能够在这篇文章进行分析,在本文内存分配主要是聚焦在元组身上,主要是分析内存分配和 tuple 的 free_list 是如何交互的。

到此这篇关于深入理解Python虚拟机中元组(tuple)的实现原理及源码的文章就介绍到这了,更多相关Python虚拟机元组内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们!

(0)

相关推荐

  • Python tuple方法和string常量介绍

    目录 前言 1 tuple.count(value) 2 tuple.index(value[, start[, end]]) 1 string.ascii_letters 2 string.ascii_lowercase 3 string.ascii_uppercase 4 string.digits 5 string.hexdigits 6 string.octdigits 7 string.punctuation 8 string.printable 9 string.whitespace

  • python列表[list]和元组(tuple)详情

    列表和元组: list是一种有序的集合,可以随时添加和删除其中的元素.1,创建一个普通列表 List = ['Jack','Bob','Lucy','Rose'] Append() 末尾追加元素 conunt()列表中某个元素的数量 extend()可以在列表尾部追加包含多个值的另一个序列,而list的append()只能添加一个值. 可以说list的extend方法是有扩展列表的作用: list1 = [1,2,3] list2 = [7,8,9] list1.extend(list2) pr

  • Python中的复杂数据类型(list、tuple)

    目录 一.序列: 二.列表(list):[a1,a2],可变数据类型 1.列表的创建 2.复合列表和多维列表 3.列表索引取值 4.列表修改 三.列表推导式 1.列表推导式书写形式: 2.列表推导式的嵌套 四.列表的基本操作 五.列表相关函数 六.元组(tuple):(a1,a2) 1.元组的创建 2.元组的操作 3.namedtuple(具名元组): Python元组的升级版本 一.序列: 序列是基类类型,序列扩展类型包括:字符串.元组和列表 序列都可以进行的操作包括索引,切片,加,乘,检查成

  • Python代码库之Tuple如何append添加元素问题

    目录 Python 代码库之Tuple如何append元素 Python tuple与list.append与extend 1. tuple可读不可写 2. 两者的成员函数 3. 彼此间类型转换 总结 Python 代码库之Tuple如何append元素 tuple不像array给我们提供了append函数,我们可以通过下面的方式添加 t=[1,3,4,5] k=() for item in t: k=k+(item,) Python tuple与list.append与extend tuple

  • Python语言中Tuple的由来分析

    目录 Tuple概述 Tuple与英语 Tuple与数学 Tuple与编程 Tuple概述 在Python中使用元组(Tuple)存储一组信息,其特征如下: 1.使用()定义元组2.元组中使用逗号 , 分割各元素:各元素类型可不一致.3.元组的索引(下标)从0开始4.可使用len(元组)求元组的元素个数5.元组元素个数 = 元组索引最大值 + 16.通过元组[索引]的方式获取元组中的元素 简单来说:Tuple在Python中表示一种“大小固定的有序序列” Tuple与英语 之前,有位可爱的小伙伴

  • Python基础Lists和tuple实例详解

    目录 Lists 索引和切片 增删改 增 删除 改 连接/拼接 tuple 解包 元素是可变的仍然可变 namedtuple Lists 列表可以包含不同类型的元素,甚至是Lists,但是通常是同一个类型的. if __name__ == '__main__': squares = [1, 4, [1, 2], "whf", 25] print(squares) 索引和切片 列表支持使用下标索引元素,支持切片. if __name__ == '__main__': squares =

  • Python中的元组(Tuple)操作实例详解

    目录 引言 1.元组的创建&&访问 (1)元组的创建: (2)访问: 2.元组的修改&&删除 (1)元组的修改: (2)元组的删除: 3.元组的内置方法 4.将序列分解为单独的变量 5.实现优先级队列 总结 引言 在Python中,通过数据结构来保存项目中重要的数据信息.Python语言内置了多种数据结构,例如列表,元组,字典和集合等.本堂课我们来讲一讲Python中举足轻重的一大数据结构——元组. 在Python中,我们可以将元组看作一种特殊的列表.它与列表唯一的不同在于

  • 深入理解Python虚拟机中复数(complex)的实现原理及源码剖析

    目录 复数数据结构 复数的操作 复数加法 复数取反 Repr 函数 总结 复数数据结构 在 cpython 当中对于复数的数据结构实现如下所示: typedef struct { double real; double imag; } Py_complex; #define PyObject_HEAD PyObject ob_base; typedef struct { PyObject_HEAD Py_complex cval; } PyComplexObject; typedef struc

  • 深入理解Python虚拟机中整型(int)的实现原理及源码剖析

    目录 数据结构 深入分析 PyLongObject 字段的语意 小整数池 整数的加法实现 总结 数据结构 在 cpython 内部的 int 类型的实现数据结构如下所示: typedef struct _longobject PyLongObject; struct _longobject { PyObject_VAR_HEAD digit ob_digit[1]; }; #define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base; typedef struct

  • Python中getpass模块无回显输入源码解析

    本文主要讨论了python中getpass模块的相关内容,具体如下. getpass模块 昨天跟学弟吹牛b安利Python标准库官方文档的时候偶然发现了这个模块.仔细一看内容挺少的,只有两个主要api,就花了点时间阅读了一下源码,感觉挺实用的,在这安利给大家. getpass.getpass(prompt='Password: ', stream=None) 调用该函数可以在命令行窗口里面无回显输入密码.参数prompt代表提示字符串,默认是'Password: '.在Unix系统中,strea

  • python基于tkinter制作无损音乐下载工具(附源码)

    继续写GUI,本次依然使用Tkinter设计一款图形界面,使用Tkinter做一款音乐下载软件,听起来听平常的,但是我这款软件能够下载 无损音乐下载软件,听起来不错吧,Let`s go! 一.准备工作 python Tkinter 二.预览 1.搜索 2.下载 3.结果 无损音乐就这样下载完了. 三.详细设计 这里仅展示我设计的整体思路. 四.源代码 4.1 Music_Search-v1.0.py from tkinter import * from tkinter import ttk fr

  • Python写一个简单上课点名系统(附源码)

    目录 一.准备工作 1.Tkinter 2.PIL 二.预览 1.启动 2.开始点名-顺序点名 3.开始点名-随机点名 4.手动加载人名单 5.开始点名-顺序点名-Pyqt5版本 三.思路 1.整体实现思路 2.点名实现思路 四.源代码 五.总结 一.准备工作 1.Tkinter Tkinter 是 python 内置的 TK GUI 工具集.TK 是 Tcl 语言的原生 GUI 库.作为 python 的图形设计工具,它所使用的 Tcl 语言环境已经完全嵌入到了 python 解释器中. 我们

  • 深入理解框架背后的原理及源码分析

    目录 问题1 问题2 总结 近期团队中同学遇到几个问题,想在这儿跟大家分享一波,虽说不是很有难度,但是背后也折射出一些问题,值得思考. 开始之前先简单介绍一下我所在团队的技术栈,基于这个背景再展开后面将提到的几个问题,将会有更深刻的体会. 控制层基于SpringMvc,数据持久层基于JdbcTemplate自己封装了一套类MyBatis的Dao框架,视图层基于Velocity模板技术,其余组件基于SpringCloud全家桶. 问题1 某应用发布以后开始报数据库连接池不够用异常,日志如下: co

  • Java编程删除链表中重复的节点问题解决思路及源码分享

    一. 题目 在一个排序的链表中,存在重复的结点,请删除该链表中重复的结点,重复的结点不保留,返回链表头指针. 二. 例子 输入链表:1->2->3->3->4->4->5 处理后为:1->2->5 三. 思路 个人感觉这题关键是注意指针的指向,可以定义一个first对象(值为-1,主要用于返回操作后的链表),first.next指向head,定义一个last同样指向first(主要用于操作记录要删除节点的前一个节点),定义一个p指向head,指向当前节点.

  • java向文件中追加内容与读写文件内容源码实例代码

    java向文件中追加内容与读写文件内容源码实例代码 向文件尾加入内容有多种方法,常见的方法有两种: RandomAccessFile类可以实现随机访问文件的功能,可以以读写方式打开文件夹的输出流 public void seek(long pos)可以将读写指针移到文件尾,参数Pos表示从文件开头以字节为单位测量的偏移位置,在该位置文件指针. public void write(int pos)将数据写到读写指针后面,完成文件的追加.参数pos表示要写入的Byte 通过FileWrite打开文件

  • Android中图片压缩方案详解及源码下载

    Android中图片压缩方案详解及源码下载 图片的展示可以说在我们任何一个应用中都避免不了,可是大量的图片就会出现很多的问题,比如加载大图片或者多图时的OOM问题,可以移步到Android高效加载大图及多图避免程序OOM.还有一个问题就是图片的上传下载问题,往往我们都喜欢图片既清楚又占的内存小,也就是尽可能少的耗费我们的流量,这就是我今天所要讲述的问题:图片的压缩方案的详解. 1.质量压缩法 设置bitmap options属性,降低图片的质量,像素不会减少 第一个参数为需要压缩的bitmap图

  • Python实现淘宝秒杀聚划算抢购自动提醒源码

    说明 本实例能够监控聚划算的抢购按钮,在聚划算整点聚的时间到达时发出提醒(音频文件自己定义位置)并自动弹开页面(URL自己定义). 同时还可以通过命令行参数自定义刷新间隔时间(默认0.1s)和监控持续时间(默认1800s). 源码 # encoding: utf-8 ''''' @author: Techzero @email: techzero@163.com @time: 2014-5-18 下午5:06:29 ''' import cStringIO import getopt impor

随机推荐