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Python内建类型str源码分析

PHPz
发布: 2023-05-09 14:16:29
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1 Unicode

计算机存储的基本单位是字节,由8个比特位组成。由于英文只由26个字母加若干符号组成,因此英文字符可以直接用字节来保存。但是其他语言(例如中日韩等),由于字符众多,不得不使用多个字节来进行编码。

随着计算机技术的传播,非拉丁文字符编码技术不断发展,但是仍然存在两个比较大的局限性:

  • 不支持多语言:一种语言的编码方案不能用于另外一种语言

  • 没有统一标准:例如中文就有GBK、GB2312、GB18030等多种编码标准

由于编码方式不统一,开发人员就需要在不同编码之间来回转换,不可避免地会出现很多错误。为了解决这类不统一问题,Unicode标准被提出了。Unicode对世界上大部分文字系统进行整理、编码,让计算机可以用统一的方式处理文本。Unicode目前已经收录了超过14万个字符,天然地支持多语言。(Unicode的uni就是“统一”的词根)

2 Python中的Unicode

2.1 Unicode对象的好处

Python在3之后,str对象内部改用Unicode表示,因此在源码中成为Unicode对象。使用Unicode表示的好处是:程序核心逻辑统一使用Unicode,只需在输入、输出层进行解码、编码,可最大程度地避免各种编码问题。

图示如下:

Python内建类型str源码分析

2.2 Python对Unicode的优化

问题:由于Unicode收录字符已经超过14万个,每个字符至少需要4个字节来保存(这里应该是因为2个字节不够,所以才用4个字节,一般不会使用3个字节)。而英文字符用ASCII码表示仅需要1个字节,使用Unicode反而会使频繁使用的英文字符的开销变为原来的4倍。

首先我们来看一下Python中不同形式的str对象的大小差异:

>>> sys.getsizeof('ab') - sys.getsizeof('a')
1
>>> sys.getsizeof('一二') - sys.getsizeof('一')
2
>>> sys.getsizeof('????????') - sys.getsizeof('????')
4
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由此可见,Python内部对Unicode对象进行了优化:根据文本内容,选择底层存储单元。

Unicode对象底层存储根据文本字符的Unicode码位范围分成三类:

  • PyUnicode_1BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+00FF之间

  • PyUnicode_2BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+FFFF之间,且至少有一个字符的码位大于U+00FF

  • PyUnicode_1BYTE_KIND:所有字符码位在U+0000到U+10FFFF之间,且至少有一个字符的码位大于U+FFFF

对应枚举如下:

enum PyUnicode_Kind {
/* String contains only wstr byte characters.  This is only possible
   when the string was created with a legacy API and _PyUnicode_Ready()
   has not been called yet.  */
    PyUnicode_WCHAR_KIND = 0,
/* Return values of the PyUnicode_KIND() macro: */
    PyUnicode_1BYTE_KIND = 1,
    PyUnicode_2BYTE_KIND = 2,
    PyUnicode_4BYTE_KIND = 4
};
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根据不同的分类,选择不同的存储单元:

/* Py_UCS4 and Py_UCS2 are typedefs for the respective
   unicode representations. */
typedef uint32_t Py_UCS4;
typedef uint16_t Py_UCS2;
typedef uint8_t Py_UCS1;
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对应关系如下:

文本类型字符存储单元字符存储单元大小(字节)
PyUnicode_1BYTE_KINDPy_UCS11
PyUnicode_2BYTE_KINDPy_UCS22
PyUnicode_4BYTE_KINDPy_UCS44

由于Unicode内部存储结构因文本类型而异,因此类型kind必须作为Unicode对象公共字段进行保存。Python内部定义了一些标志位,作为Unicode公共字段:(介于笔者水平有限,这里的字段在后续内容中不会全部介绍,大家后续可以自行了解。抱拳~)

  • interned:是否为interned机制维护

  • kind:类型,用于区分字符底层存储单元大小

  • compact:内存分配方式,对象与文本缓冲区是否分离

  • asscii:文本是否均为纯ASCII

通过PyUnicode_New函数,根据文本字符数size以及最大字符maxchar初始化Unicode对象。该函数主要是根据maxchar为Unicode对象选择最紧凑的字符存储单元以及底层结构体:(源码比较长,这里就不列出了,大家可以自行了解,下面以表格形式展现)

maxchar < 128128 <= maxchar < 256256 <= maxchar < 6553665536 <= maxchar < MAX_UNICODE
kindPyUnicode_1BYTE_KINDPyUnicode_1BYTE_KINDPyUnicode_2BYTE_KINDPyUnicode_4BYTE_KIND
ascii1000
字符存储单元大小(字节)1124
底层结构体PyASCIIObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObject

3 Unicode对象的底层结构体

3.1 PyASCIIObject

C源码:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    Py_ssize_t length;          /* Number of code points in the string */
    Py_hash_t hash;             /* Hash value; -1 if not set */
    struct {
        unsigned int interned:2;
        unsigned int kind:3;
        unsigned int compact:1;
        unsigned int ascii:1;
        unsigned int ready:1;
        unsigned int :24;
    } state;
    wchar_t *wstr;              /* wchar_t representation (null-terminated) */
} PyASCIIObject;
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源码分析:

length:文本长度

hash:文本哈希值

state:Unicode对象标志位

wstr:缓存C字符串的一个wchar_t指针,以“\0”结束(这里和我看的另一篇文章讲得不太一样,另一个描述是:ASCII文本紧接着位于PyASCIIObject结构体后面,我个人觉得现在的这种说法比较准确,毕竟源码结构体后面没有别的字段了)

图示如下:

(注意这里state字段后面有一个4字节大小的空洞,这是结构体字段内存对齐造成的现象,主要是为了优化内存访问效率)

Python内建类型str源码分析

ASCII文本由wstr指向,以’abc’和空字符串对象’'为例:

Python内建类型str源码分析

Python内建类型str源码分析

3.2 PyCompactUnicodeObject

如果文本不全是ASCII,Unicode对象底层便由PyCompactUnicodeObject结构体保存。C源码如下:

/* Non-ASCII strings allocated through PyUnicode_New use the
   PyCompactUnicodeObject structure. state.compact is set, and the data
   immediately follow the structure. */
typedef struct {
    PyASCIIObject _base;
    Py_ssize_t utf8_length;     /* Number of bytes in utf8, excluding the
                                 * terminating \0. */
    char *utf8;                 /* UTF-8 representation (null-terminated) */
    Py_ssize_t wstr_length;     /* Number of code points in wstr, possible
                                 * surrogates count as two code points. */
} PyCompactUnicodeObject;
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PyCompactUnicodeObject在PyASCIIObject的基础上增加了3个字段:

utf8_length:文本UTF8编码长度

utf8:文本UTF8编码形式,缓存以避免重复编码运算

wstr_length:wstr的“长度”(这里所谓的长度没有找到很准确的说法,笔者也不太清楚怎么能打印出来,大家可以自行研究下)

注意到,PyASCIIObject中并没有保存UTF8编码形式,这是因为ASCII本身就是合法的UTF8,这也是ASCII文本底层由PyASCIIObject保存的原因。

结构图示:

Python内建类型str源码分析

3.3 PyUnicodeObject

PyUnicodeObject则是Python中str对象的具体实现。C源码如下:

/* Strings allocated through PyUnicode_FromUnicode(NULL, len) use the
   PyUnicodeObject structure. The actual string data is initially in the wstr
   block, and copied into the data block using _PyUnicode_Ready. */
typedef struct {
    PyCompactUnicodeObject _base;
    union {
        void *any;
        Py_UCS1 *latin1;
        Py_UCS2 *ucs2;
        Py_UCS4 *ucs4;
    } data;                     /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */
} PyUnicodeObject;
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3.4 示例

在日常开发时,要结合实际情况注意字符串拼接前后的内存大小差别:

>>> import sys
>>> text = &#39;a&#39; * 1000
>>> sys.getsizeof(text)
1049
>>> text += &#39;????&#39;
>>> sys.getsizeof(text)
4080
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4 interned机制

如果str对象的interned标志位为1,Python虚拟机将为其开启interned机制,

源码如下:(相关信息在网上可以看到很多说法和解释,这里笔者能力有限,暂时没有找到最确切的答案,之后补充。抱拳~但是我们通过分析源码应该是能看出一些门道的)

/* This dictionary holds all interned unicode strings.  Note that references
   to strings in this dictionary are *not* counted in the string&#39;s ob_refcnt.
   When the interned string reaches a refcnt of 0 the string deallocation
   function will delete the reference from this dictionary.
   Another way to look at this is that to say that the actual reference
   count of a string is:  s->ob_refcnt + (s->state ? 2 : 0)
*/
static PyObject *interned = NULL;
void
PyUnicode_InternInPlace(PyObject **p)
{
    PyObject *s = *p;
    PyObject *t;
#ifdef Py_DEBUG
    assert(s != NULL);
    assert(_PyUnicode_CHECK(s));
#else
    if (s == NULL || !PyUnicode_Check(s))
        return;
#endif
    /* If it&#39;s a subclass, we don&#39;t really know what putting
       it in the interned dict might do. */
    if (!PyUnicode_CheckExact(s))
        return;
    if (PyUnicode_CHECK_INTERNED(s))
        return;
    if (interned == NULL) {
        interned = PyDict_New();
        if (interned == NULL) {
            PyErr_Clear(); /* Don&#39;t leave an exception */
            return;
        }
    }
    Py_ALLOW_RECURSION
    t = PyDict_SetDefault(interned, s, s);
    Py_END_ALLOW_RECURSION
    if (t == NULL) {
        PyErr_Clear();
        return;
    }
    if (t != s) {
        Py_INCREF(t);
        Py_SETREF(*p, t);
        return;
    }
    /* The two references in interned are not counted by refcnt.
       The deallocator will take care of this */
    Py_REFCNT(s) -= 2;
    _PyUnicode_STATE(s).interned = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
}
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可以看到,源码前面还是做一些基本的检查。我们可以看一下37行和50行:将s添加到interned字典中时,其实s同时是key和value(这里我不太清楚为什么会这样做),所以s对应的引用计数是+2了的(具体可以看PyDict_SetDefault()的源码),所以在50行时会将计数-2,保证引用计数的正确。

考虑下面的场景:

>>> class User:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
>>> user = User(&#39;Tom&#39;, 21)
>>> user.__dict__
{&#39;name&#39;: &#39;Tom&#39;, &#39;age&#39;: 21}
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由于对象的属性由dict保存,这意味着每个User对象都要保存一个str对象‘name’,这会浪费大量的内存。而str是不可变对象,因此Python内部将有潜在重复可能的字符串都做成单例模式,这就是interned机制。Python具体做法就是在内部维护一个全局dict对象,所有开启interned机制的str对象均保存在这里,后续需要使用的时候,先创建,如果判断已经维护了相同的字符串,就会将新创建的这个对象回收掉。

示例:

由不同运算生成’abc’,最后都是同一个对象:

>>> a = &#39;abc&#39;
>>> b = &#39;ab&#39; + &#39;c&#39;
>>> id(a), id(b), a is b
(2752416949872, 2752416949872, True)
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以上是Python内建类型str源码分析的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章!

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