用ctypes观察Python对象的内存结构

在 Python 中一切皆是对象,而在实现 Python 的 C 语言中,这些对象只不过是一些比较复杂的结构体而已。本文通过 ctypes 访问对象对应的结构体中的数据,加深对 Python 对象的理解。

对象的两个基本属性

Python 所有对象结构体中的头两个字段都是相同的:

  • refcnt:对象的引用次数,若引用次数为 0 则表示此对象可以被垃圾回收了。
  • typeid:指向描述对象类型的对象的指针。

    通过 ctypes,我们可以很容易定义一个这样的结构体:PyObject

    注意:本文只描述在 32 位操作系统下的情况,如果读者使用的是 64 位操作系统,需要对程序中的一些字段类型做一些改变。

下面让我们用 PyObject 做一些实验帮助理解这两个字段的含义:

❶通过 id(a) 可以获得对象 a 的内存地址,而 PyObject.from_address()可以将指定的内存地址的内容转换为一个 PyObject 对象。通过此 PyObject 对象obj_a 可以访问对象 a 的结构体中的内容。
❷查看对象 a 的引用次数,由于只有 a 这个名字引用它,因此值为 1。接下来创建一个列表,此列表中的每个元素都是对象 a,因此此列表应用了它 10 次,❸所以引用次数变为了 11。
❸查看对象 a 的类型对象的地址,它和 id(type(a)) 相同,而由于对象a的类型为str,因此也就是 id(str)

下面查看str类型对象的这两个字段:

可以看到 str 的类型就是type。再看看 type 对象:

type 对象的类型指针就指向它自己,因为 type(type) is type

整数和浮点数对象

接下来看看整数和浮点数对象,这两个对象除了有 PyObject 中的两个字段之外,还有一个 val 字段保存实际的值。因此 Python 中一个整数占用 12 个字节,而一个浮点数占用 16 个字节:

我们无需重新定义 refcnttypeid 这两个字段,通过继承 PyObject,可以很方便地定义整数和浮点数对应的结构体,它们会继承父类中定义的字段:

下面是使用 PyInt 查看整数对象的例子:

通过 PyInt 对象,还可以修改整数对象的内容:
修改不可变对象的内容会造成严重的程序错误,请不要用于实际的程序中。

由于i和j引用的是同一个整数对象,因此i和j的值同时发生了变化。

结构体大小不固定的对象

表示字符串和长整型数的结构体的大小不是固定的,这些结构体在 C 语言中使用了一种特殊的字段定义技巧,使得结构体中最后一个字段的大小可以改变。由于结构体需要知道最后一个字段的长度,因此这种结构中包含了一个 size 字段,保存最后一个字段的长度。在 ctypes 中无法表示这种长度不固定的字段,因此我们使用了动态创建结构体类的方法。

❶在定义长度不固定的字段时,使用长度为 0 的数组定义一个不占内存的伪字段 _valcreate_var_object() 用来创建大小不固定的结构体对象,❷首先搜索名为 _val 的字段,并将其类型保存到 inner_type 中。❸然后创建一个PyVarObject 结构体读取obj对象中的 size 字段。❹再通过 size 字段的大小创建一个对应的 Inner 结构体类,它可以从 struct 继承,因为 struct 中的 _val 字段不占据内存。
下面我们用上面的程序做一些实验:

当整数的范围超过了 0x7fffffff 时,Python 将使用长整型整数:

可以看到 Python 用了 4 个 16 位的整数表示 0x1234567890abcd,下面我们看看长整型数是如何用数组表示的:

即数组中的后面的元素表示高位,每个 16 为整数中有 15 位表示数值。

列表对象

列表对象的长度是可变的,因此不能采用字符串那样的结构体,而是使用了一个指针字段items指向可变长度的数组,而这个数组本身是一个指向 PyObject 的指针。 allocated 字段表示这个指针数组的长度,而 size 字段表示指针数组中已经使用的元素个数,即列表的长度。列表结构体本身的大小是固定的。

我们用下面的程序查看往列表中添加元素时,列表结构体中的各个字段的变化:

运行 test_list() 得到下面的结果:

❶一开始列表的长度和其指针数组的长度都是 3,即列表处于饱和状态。因此❷往列表中添加新元素时,需要重新分配指针数组,因此指针数组的长度变为了 7,而地址也发生了变化。这时列表的长度为 4,因此指针数组中还有 3 个空位保存新的元素。由于每次重新分配指针数组时,都会预分配一些额外空间,因此往列表中添加元素的平均时间复杂度为 O(1)

下面再看看从列表删除元素时,各个字段的变化:

运行test_list2()得到下面的结果:

可以看出大指针数组的位置没有发生变化,但是后面额外的空间被回收了。

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