从创建到销毁，对象的生命周期

当我们在控制台敲下这个语句， Python 内部是如何从无到有创建一个浮点对象的？

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>>> pi = 3.14

另外，Python 又是怎么知道该如何将它打印到屏幕上的呢？

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>>> print(pi)
3.14

对象使用完毕， Python 必须将其销毁，销毁的时机又该如何确定呢？ 带着这些问题，接着考察对象在从创建到销毁整个生命周期中的行为表现，从中探寻答案。

以下讨论以一个足够简单的类型 float 为例，对应的 C 实体是 PyFloat_Type 。

C API

开始讨论对象创建前，先介绍 Python 提供的 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 。

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。

以对象打印函数为例：

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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：

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

// 打印整数对象
PyObject *lo = PyLong_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。

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 ，举例如下：

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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。

对象的创建

经过前面的理论学习，我们知道对象的 元数据 保存在对应的 类型对象 中，元数据当然也包括 对象如何创建 的信息。 因此，有理由相信 实例对象 由 类型对象 创建。

不管创建对象的流程如何，最终的关键步骤都是 分配内存 。 Python 对 内建对象 是无所不知的，因此可以提供 *C API *，直接分配内存并执行初始化。 以 PyFloat_FromDouble 为例，在接口内部为 PyFloatObject 结构体分配内存，并初始化相关字段即可。

对于用户自定义的类型 class Dog(object) ， Python 就无法事先提供 PyDog_New 这样的 C API 了。 这种情况下，就只能通过 Dog 所对应的类型对象创建实例对象了。 至于需要分配多少内存，如何进行初始化，答案就需要在 类型对象 中找了。

总结起来，Python 内部一般通过这两种方法创建对象：

  • 通过 C API ，例如 PyFloat_FromDouble ，多用于内建类型；
  • 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，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：

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

例子中我们通过调用类型对象 float ，实例化了一个浮点实例 pi，对象居然还可以调用! 在 Python 中，可以被调用的对象就是 可调用对象 。

问题来了，可调用对象被调用时，执行什么函数呢？ 由于类型对象保存着实例对象的元信息， float 类型对象的类型是 type ，因此秘密应该就隐藏在 type 中。

再次考察 PyType_Type ，我们找到了 tp_call 字段，这是一个函数指针：

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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 */

    // ...
};

当实例对象被调用时，便执行 tp_call 字段保存的处理函数。

因此，float(‘3.14’) 在 C 层面等价于：

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PyFloat_Type.ob_type.tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)

即：

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PyType_Type.tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)

最终执行， type_call 函数：

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type_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)

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。

那么，type_call 函数内部的运行原理是什么呢？点击 阅读原文，获取更多细节！

【Python源码剖析】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：

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fasionchan 2020-08-30