Python 中的对象概述

在 Python 的世界中，一切皆对象。 int / list / dict / … 都是对象，除此之外，函数、类本身也是对象，那么，这些对象究竟是什么呢？

从结果看，Python 中的对象是 C 语言中结构体在堆上申请的一片内存区域。而在具体实现上，这里先简单描述一下。

万物基于 MIUI： PyObject

在 Python 中，所有对象都共有一些特性，这些特性定义在 PyObject 中。PyObject 定义在 Include/object.h 中：

#define PyObject_HEAD                   \
    _PyObject_HEAD_EXTRA                \
    Py_ssize_t ob_refcnt;               \
    struct _typeobject *ob_type;

typedef struct _object {
    PyObject_HEAD
} PyObject;

简化后即为：

typedef struct _object {
    int ob_refcnt;               
    struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;

在 PyObject 中，ob_refcnt 用以记录对象的引用数（与引用计数的内存回收相关，这里暂且不表），当有新的指针指向某对象时，ob_refcnt 的值加 1，当指向某对象的指针删除时，ob_refcnt 的值减 1，当其值为零的时候，则可以将该对象从堆中删除（事实上并不会立即删除，这里暂且不表）。除了 ob_refcnt 之外，还有一个指向 _typeobject 指针 ob_type。这个结构体用于表示对象类型。跳过 _typeobject，可以发现， Python 对象的核心在于一个引用计数和一个类型信息。

PyObject 定义的内容会出现在每个对象所占内存的开始部分。

定长对象与变长对象

在 Python 中，除了 bool float 这样的定长对象（一旦确定下来需要的内存，便不再有改动），还有另外一种对象：长度可变的对象。这种对象在 Python 的实现中通过 PyVarObject 结构体来表示：

#define PyObject_VAR_HEAD               \
    PyObject_HEAD                       \
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part */

typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
} PyVarObject;

事实上，就是在 PyObject 的基础上，多了一个 ob_size 变量，用以标识对象的长度（是长度，不是内存占用）。也就是说，其实 PyVarObject 就是 PyObject 的一个拓展，于是，在 Python 中，所有的对象都可以通过 PyObject * 指针来引用，这一点非常重要，它使得很多操作变得统一（这篇博客暂不详述）。

由此，Python 中所有对象在实现的时候，内存无非如下两种情况：

   定长对象              变长对象
+-----------+       +-----------+
| ob_refcnt |       | ob_refcnt |
+-----------+       +-----------+
|  ob_type  |       |  ob_type  |
+-----------+       +-----------+
|           |       |  ob_size  |
|           |       +-----------+
|   other   |       |           |
|           |       |   other   |
|           |       |           |
+-----------+       +-----------+

道生一：PyTypeObject

在描述 PyObject 的时候，提到了一个 _typeobject 结构体。那么，它是干什么的呢？想象一下，一个对象在创建的时候需要多少内存、这个对象的类名是什么等等信息，又是如何记录和区分的呢？

_typeobject（也就是PyTypeObject）可以被称之为“指定对象类型的类型对象”，其定义如下：

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name; /* For printing, in format "<module>.<name>" */
    Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */

    // ...... 省略部分暂时不关心的内容

} PyTypeObject;

可以理解为，PyTypeObject 对象是 Python 中面向对象理念中“类”这个概念的实现，这里只是简单介绍其定义中的部分内容：

ty_name：类型名
tp_basicsize, tp_itemsize：创建类型对象时分配的内存大小信息
被省略掉的部分：与该类型关联的操作（函数指针）

这里只是简单描述，上面的内容有些偏颇，暂不必过分深究。

再看一眼 PyTypeObject 的定义，可以发现在最开始也有一个 PyObject_VAR_HEAD，这意味着它也是一个对象。那么，PyTypeObject 既然是指示类型的对象，那么它的类型又是什么呢？答案是 PyType_Type：

PyTypeObject PyType_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "type",                                     /* tp_name */
    sizeof(PyHeapTypeObject),                   /* tp_basicsize */
    sizeof(PyMemberDef),                        /* tp_itemsize */
    (destructor)type_dealloc,                   /* tp_dealloc */
    // ...... 省略了部分内容
};

事实上，它就是 Python 语言中的 type 对象就是 PyType_Type，它是所有 class 的 class，在 Python 中叫做 metaclass。其实，在实现中它的 ob_type 指针又指向了自己本身，既是：

   PyType_Type
+-----------+<-------+
| ob_refcnt |        |
+-----------+        |
|  ob_size  +--------+
+-----------+
|           |
|   other   |
|           |
+-----------+

小结

简单概述了 Python 中的对象的最模糊的概念。