Python萬物皆物件理解及原始碼學習

2022-05-17 22:00:56

萬物皆物件

這篇部落格的內容主要是針對Python中萬物皆物件的理解，對Python的型別、物件體系做一個整體的梳理。

在Python中，一切皆為物件，一個整數是一個物件，一個字串也是一個物件，基本型別（如int）也是物件。Python不再區別對待基本型別和物件，所有的基本型別內部均由物件實現。

>>> a = int
>>> b = 1
>>> id(a)
140734789683952
>>> id(int)
140734789683952
>>> a
<class 'int'>
>>> id(b)
2421963817200
>>> id(1)
2421963817200
>>> b
1

1 型別物件和範例物件

Python中的型別是一種物件，稱為型別物件。整數型別、字串型別，以及我們通過class關鍵字定義的自定義型別也是一個物件。

通過類範例化可以得到一個範例化物件，稱為範例物件

2 型別、物件體系

2.1 元型別type

前面我們提到：Python中的型別是一種物件，稱為型別物件。那麼型別物件的型別又是什麼呢？

>>> type(int)
<class 'type'>
>>> int.__class__
<class 'type'>

可以看到，型別的型別是type，我們稱之為元型別，但是這個型別比較特殊，它的範例物件是型別物件。此外，Python中還有一個特殊的型別object，所有其他型別都繼承於object，即object是所有型別的基礎類別。

圖示如下：

2.2 自定義型別

除了Python的內建型別，我們自定義一個型別MyClass，同樣地，可以得到：

2.3 自定義型別子類

再定義一個型別MySubClass，該型別為MyClass的子類：

2.4 type和object的關係

在上述範例中，我們描述了不同物件、型別之間的繼承、型別關係，但是對於兩個特殊的型別type和object的關係並沒有指出，我們先來列印看一下：

>>> type(type)
<class 'type'>
>>> type(object)
<class 'type'>
>>> type.__base__
<class 'object'>
>>> object.__base__
>>> print(object.__base__)
None

可以看到：object的型別也是type，type本身的型別也是type；而type的父類別也是所有物件的父類別——object，而object本身沒有父類別。由此我們可以歸納出：

object是所有型別的基礎類別（除了它自己），本質上是一種型別，其型別是type，同時也是type的基礎類別；

type是所有型別的型別，本質上是一種型別，其型別是它自己，也是object的型別；

注：object本身不能有基礎類別，這是因為——對於存在繼承關係的類，成員屬性和成員方法查詢需要回溯繼承鏈，不斷查詢基礎類別。因此，繼承鏈必須有一個終點，不然就會死迴圈。

最後我們把type和object的關係補充進來：

3 可變物件與不可變物件

可變物件在建立之後，其值可以修改；不可變物件在建立之後，其值不可以進行修改。

以Python中的整數物件為例：整數型別是不可變型別，整數物件是不可變物件。“修改整數物件”時，Python將以新值建立一個新物件，變數名與新物件進行繫結，舊物件如果沒有其他參照，則會被釋放（通過“小整數池”進行建立回收優化，具體後續介紹，這裡先按下不表，後續會補充）。

圖示如下：

以Python中的列表物件為例：列表型別是可變型別，列表物件是可變物件。列表物件內部會維護一個動態陣列，儲存元素物件的指標，列表物件再增減物件的時候，會修改該陣列，而列表物件的“頭部”（後續會詳細介紹）會保持不變：

4 變長物件和定長物件

定長物件：物件的記憶體大小一定

邊長物件：同一型別，不同物件會有不同的大小

通過sys.getsizeof()可以檢視一個物件的大小：

>>> import sys
>>> a = 1
>>> b = 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
>>> c = 1.0
>>> d = 1.00000000000000000000000000000000000000000000000000000001
>>> sys.getsizeof(a)
28
>>> sys.getsizeof(b)
52
>>> sys.getsizeof(c)
24
>>> sys.getsizeof(d)
24

整數物件是變長物件：固定位數的整數能夠表示的範圍是有限的，故整數物件會隨著自身的數值大小而改變自身記憶體大小。在Python中採用了類似C++中大整數類的思路實現整數物件，通過串聯多個普通32位元整數來支援更大的數值範圍（詳細原始碼後續介紹）。

浮點數物件是定長物件：根據機組的知識，我們用32位元表示單精度浮點數，用64位元表示雙精度浮點數，它們都是定長的。在Python中，浮點數背後是由一個double來實現的，就算表示很大的數，浮點數物件的大小也不變（這樣做的代價是犧牲了精度）。當然，浮點數也是有大小限制的，可以思考下：我們通過float()將一個很大的int轉化為float時，是否會報錯？Python底層是否做了相應的判斷呢？