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深入理解Python虚拟机中浮点数(float)的实现原理及源码

目录
  • Float 数据结构
  • 浮点数的相关方法
    • 创建 float 对象
    • 加法
    • 减法
    • 乘法
    • 除法
    • 取反
    • 求绝对值
    • 求 bool 值
  • 总结

    Float 数据结构

    在 cpython 虚拟机当中浮点数类型的数据结构定义如下所示:

    typedef struct {
        PyObject_HEAD
        double ob_fval;
    } PyFloatObject;

    上面的数据结构定义图示如下:

    深入理解Python虚拟机中浮点数(float)的实现原理及源码

    • 在上面的数据结构当中最重要的一个字段就是 ob_fval,这个就是真实存储浮点数的地方。
    • ob_refcnt 就是对象的引用计数。
    • ob_type 就是对象的类型。

    浮点数的python相关方法

    创建 float 对象

    和我们在前面所讨论到的元组和列表对象一样,在 cpython 内部实现 float 类型的时候也会给 float 对象做一层中间层以加快浮点数的内存分配,具体的相关代码如下所示:

    #define PyFloat_MAXFREELIST    100
    static int numfree = 0;
    static PyFloatObject *free_list = NULL;

    在 cpython 内部做多会缓存 100 个 float 对象的内存空间,如果超过 100 就会直接释放内存了,这里需要注意一点的是只用一个指针就可以将所有的 float 对象缓存起来,这一点是如何实现的。

    这是使用在对象 PyFloatObject 当中的 struct _typeobject *ob_type; 这个字段实现的,用这个字段指向下一个 float 对象的内存空间,因为在 free_list 当中的数据并没有使用,因此可以利用这个特点节省一些内存空间。下面则是创建 float 对象的具体过程:

    PyObject *
    PyFloat_FromDouble(double fval)
    {
        // 首先查看 free_list 当中是否有空闲的 float 对象
        PyFloatObject *op = free_list;
        if (op != NULL) {
            // 如果有 那么就将让 free_list 指向 free_list 当中的下一个 float 对象 并且将对应的个数减 1
            free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
            numfree--;
        } else {
          	// 否则的话就需要申请内存空间
            op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
            if (!op)
                return PyErr_NoMemory();
        }
        /* Inline PyObject_New */
        (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type); // PyObject_INIT 这个宏的主要作用是将对象的引用计数设置成 1
        op->ob_fval = fval;
        return (PyObject *) op;
    }

    加法

    下面是在 cpython 当中浮点数的加法具体实现,整个过程比较简单就是得到新的值,并且创建一个新的 PyFloatObject 对象,并且将这个对象返回。

    static PyObject *
    float_add(PyObject *v, PyObject *w)
    {
        double a,b;
        CONVERT_TO_DOUBLE(v, a); // CONVERT_TO_DOUBLE 这个宏的主要作用就是将对象的 ob_fval 这个字段的值保存到 a 当中
        CONVERT_TO_DOUBLE(w, b); // 这个就是将 w 当中的 ob_fval 字段的值保存到 b 当中
        a = a + b;
        return PyFloat_FromDouble(a); // 创建一个新的 float 对象 并且将这个对象返回
    }
    

    减法

    同理减法也是一样的。

    static PyOb编程客栈ject *
    floatandroid_sub(PyObject *v, PyObject *w)
    {
        double a,b;
        CONVERTaKrMFZQaWI_TO_DOUBLE(v, a);
        CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
        a = a - b;
        return PyFloat_FromDouble(a);
    }
    

    乘法

    static PyObject *
    float_mul(PyObject *v, PyObject *w)
    {
        double a,b;
        CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
        CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
        PyFPE_START_PROTECT("multiply", return 0)
        a = a * b;
        PyFPE_END_PROTECT(a)
        return PyFloat_FromDouble(a);
    }
    

    除法

    static PyObject *
    float_div(PyObject *v, PyObject *w)
    {
        double a,b;
        CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
        CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
        if (b == 0.0) {
            PyErr_SetString(PyExc_ZeroDivisionError,
                            "float division by zero");
            return NULL;
        }
        a = a / b;
        return PyFloat_FromDouble(a);
    }
    

    取反

    这里加入了一行输出语句,这个是为了后面方便我们进行测试的。

    static PyObject *
    float_neg(PyFloatObject *v)
    {
        printf("%.2lf 正在进行取反运算\n", v->ob_fval);
        return PyFloat_FromDouble(-v->ob_fval);
    }
    

    求绝对值

    static PyObject *
    float_abs(PyFl编程客栈oatObject *v)
    {
        printf("%.2lf 正在进行取 abs 运算\n", v->ob_fval);
        return PyFloat_FromDouble(fabs(v->ob_fval));
    }
    

    求 bool 值

    static int
    float_bool(PyFloatObject *v)
    {
        printf("%.2lf 正在进行取 bool 运算\n", v->ob_fval);
        return v->ob_fval != 0.0;
    }
    

    下图是我们对于 cpython 开发者_Go培训对程序的修改!

    深入理解Python虚拟机中浮点数(float)的实现原理及源码

    下面是修改之后我们再次对浮点数进行操作的时候的输出,可以看到的是输出了我们在上面的代码当中加入的语句。

    深入理解Python虚拟机中浮点数(float)的实现原理及源码

    总结

    在本篇文章当总主要介绍了一些 float 类型在 cpython 内部是如何实现的以及和他相关的加减乘除方法是如何实现的,以及和部分和关键字有关的函数实现。本篇文章主要是讨论 float 数据类型本身,不涉及其他的东西,其实关于类型还有非常大一块,就是 cpython 内部对象系统是如何实现的,这一点在后面深入讨论对象系统的时候再进行深入分析,在回头来看 float 类型会有更加深刻的理解。

    以上就是深入理解Python虚拟机中浮点数(float)的实现原理及源码的详细内容,更多关于Python虚拟机浮点数的资料请关注我们其它相关文章!

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