Python 源码阅读: String
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PyStringObject
源码位置 Include/stringobject.h |
Objects/stringobject.c
定义
typedef struct {
PyObject_VAR_HEAD
long ob_shash;
int ob_sstate;
char ob_sval[1];
/* Invariants:
* ob_sval contains space for 'ob_size+1' elements.
* ob_sval[ob_size] == 0.
* ob_shash is the hash of the string or -1 if not computed yet.
* ob_sstate != 0 iff the string object is in stringobject.c's
* 'interned' dictionary; in this case the two references
* from 'interned' to this object are *not counted* in ob_refcnt.
*/
} PyStringObject;
说明
1. PyObject_VAR_HEAD
PyStringObject是变长对象, 比定长对象多了一个ob_size字段
2. ob_shash
存储字符串的hash值, 如果还没计算等于-1
当string_hash被调用, 计算结果会被保存到这个字段一份, 后续不再进行计算
3. ob_sstate
如果是interned, !=0, 否则=0
interned后面说
4. char ob_sval[1]
字符指针指向一段内存, char数组指针, 指向一个ob_size+1大小数组(c中字符串最后要多一个字符``表字符串结束)
结构
构造方法
PyAPI_FUNC(PyObject *) PyString_FromString(const char *);
PyAPI_FUNC(PyObject *) PyString_FromStringAndSize(const char *, Py_ssize_t);
两个构造方法其实区别不大,
PyString_FromStringAndSize 参数可以为`NULL`, 无论是否为`NULL`, 都会分配`size+1`个字节空间.(不为NULL的话字符数组会进行拷贝)
PyString_FromString, 参数不能为`NULL`, 且必须是``结束的字符数组, 会调用c 语言string.h模块的strlen()函数计算字符串长度, 分配空间, 并将整个字符数组拷贝到ob_sval指向的内存
我们关注PyString_FromString就行
创建过程 PyString_FromString
定义
//默认未初始化, 均为NULL
static PyStringObject *characters[UCHAR_MAX + 1];
static PyStringObject *nullstring;
PyObject *
PyString_FromString(const char *str)
{
register size_t size;
register PyStringObject *op;
assert(str != NULL);
// 计算参数字符数组长度
size = strlen(str);
// 超长, 报错(PY_SSIZE_T_MAX平台相关,32位2GB)
if (size > PY_SSIZE_T_MAX - PyStringObject_SIZE) {
PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
"string is too long for a Python string");
return NULL;
}
// 长度=0, 且nullstring已定义, 返回nullstring
if (size == 0 & (op = nullstring) != NULL) {
#ifdef COUNT_ALLOCS
null_strings++;
#endif
Py_INCREF(op);
return (PyObject *)op;
}
// 字符缓冲池逻辑
// 长度=1, 且characters[*str & UCHAR_MAX]字符已定义
if (size == 1 && (op = characters[*str & UCHAR_MAX]) != NULL) {
#ifdef COUNT_ALLOCS
one_strings++;
#endif
Py_INCREF(op);
return (PyObject *)op;
}
// 申请内存空间
/* Inline PyObject_NewVar */
op = (PyStringObject *)PyObject_MALLOC(PyStringObject_SIZE + size);
if (op == NULL)
return PyErr_NoMemory();
// 初始化
PyObject_INIT_VAR(op, &PyString_Type, size);
op->ob_shash = -1; //未计算hash, -1
op->ob_sstate = SSTATE_NOT_INTERNED; //未intern, 0
// 将字符数组拷贝到PyStringObject
Py_MEMCPY(op->ob_sval, str, size+1);
// 在nullstring和字符缓冲池对应位置未初始化时, 会走到这个逻辑
/* share short strings */
if (size == 0) {
PyObject *t = (PyObject *)op;
// 走intern, 后面说
PyString_InternInPlace(&t);
op = (PyStringObject *)t;
// 初始化nullstring
nullstring = op;
Py_INCREF(op);
} else if (size == 1) {
PyObject *t = (PyObject *)op;
// 走intern, 后面说
PyString_InternInPlace(&t);
op = (PyStringObject *)t;
// 初始化字符缓冲池对应位置
characters[*str & UCHAR_MAX] = op;
Py_INCREF(op);
}
// 返回
return (PyObject *) op;
}
步骤简化
1. 计算长度
2. 长度0, 空字符串, 是返回已定义好的nullstring
3. 长度1, 字符, 返回字符缓冲池里面的
4. 都不是, 分配内存, 初始化
结论
长度0/长度1, 会用到intern机制
注意, intern机制对长度>1的字符串也适用
interned机制
interned
/* This dictionary holds all interned strings. Note that references to
strings in this dictionary are *not* counted in the string'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->ob_sstate?2:0)
*/
static PyObject *interned; //指针, 指向PyDictObject
interned定义
void
PyString_InternInPlace(PyObject **p)
{
register PyStringObject *s = (PyStringObject *)(*p);
PyObject *t;
// 检查值使用在PyStringObject上, 派生类不适用
if (s == NULL || !PyString_Check(s))
Py_FatalError("PyString_InternInPlace: strings only please!");
/* If it's a string subclass, we don't really know what putting it in the interned dict might do. */
// 不是字符串类型, 返回
if (!PyString_CheckExact(s))
return;
// 本身已经intern了(标志位ob_sstate), 不重复进行, 返回
if (PyString_CHECK_INTERNED(s))
return;
// 未初始化字典, 初始化之
if (interned == NULL) {
// 注意这里
interned = PyDict_New();
if (interned == NULL) {
PyErr_Clear(); /* Don't leave an exception */
return;
}
}
// 在interned字典中已存在, 修改, 返回intern独享
t = PyDict_GetItem(interned, (PyObject *)s);
if (t) {
Py_INCREF(t);
Py_DECREF(*p);
*p = t;
return;
}
// 在interned字典中不存在, 放进去
if (PyDict_SetItem(interned, (PyObject *)s, (PyObject *)s) 0) {
PyErr_Clear();
return;
}
// 加入interned字典(key-value), 会导致refcnt+2, 去掉, 保证当外部没有引用时, refcnt=0, 可以进行回收处理, (不-2, refcnt永远>=2)
/* The two references in interned are not counted by refcnt.
The string deallocator will take care of this */
Py_REFCNT(s) -= 2;
// 修改字符串对象的ob_sstate标志位, SSTATE_INTERNED_MORTAL
PyString_CHECK_INTERNED(s) = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
}
使用的地方
// 构造方法
PyAPI_FUNC(PyObject *) PyString_FromString(const char *);
PyAPI_FUNC(PyObject *) PyString_FromStringAndSize(const char *, Py_ssize_t);
// SSTATE_INTERNED_MORTAL, 计数0会被回收
PyObject *
PyString_InternFromString(const char *cp)
{
PyObject *s = PyString_FromString(cp);
if (s == NULL)
return NULL;
PyString_InternInPlace(&s);
return s;
}
// SSTATE_INTERNED_IMMORTAL, 永远不会被销毁
void
PyString_InternImmortal(PyObject **p)
示例
>>> a = ''
>>> b = ''
>>> id(a) == id(b)
True
>>> a = 'x'
>>> b = 'x'
>>> id(a) == id(b)
True
>>> a = "abc"
>>> b = "abc"
>>> id(a) == id(b)
True
python源代码自己也大量使用
dict_str = PyString_InternFromString("__dict__")
lenstr = PyString_InternFromString("__len__")
s_true = PyString_InternFromString("true")
empty_array = PyString_InternFromString("[]")
好处
一旦字符串被intern, 会被python保存到字典中, 整个python运行期间, 系统中有且仅有一个对象. 下次相同字符串再进入, 不会重复创建对象.
字符缓冲池
定义
UCHAR_MAX 平台相关
static PyStringObject *characters[UCHAR_MAX + 1];
在上面PyString_FromString可以看到, 字符缓冲池在使用中初始化(存在直接返回, 不存在建一个, 放interned字典中, 初始化字符缓冲池对应位置)
PyObject *t = (PyObject *)op;
// 走intern, 后面说
PyString_InternInPlace(&t);
op = (PyStringObject *)t;
// 初始化字符缓冲池对应位置
characters[*str & UCHAR_MAX] = op;
字符串销毁过程
static void
string_dealloc(PyObject *op)
{
// 是否intern
switch (PyString_CHECK_INTERNED(op)) {
// 非, 跳出 -> 回收内存
case SSTATE_NOT_INTERNED:
break;
// 普通, 从interned字典中删除, 跳出 -> 回收内存
case SSTATE_INTERNED_MORTAL:
/* revive dead object temporarily for DelItem */
Py_REFCNT(op) = 3;
if (PyDict_DelItem(interned, op) != 0)
Py_FatalError(
"deletion of interned string failed");
break;
// 永不回收的对象, 报错
case SSTATE_INTERNED_IMMORTAL:
Py_FatalError("Immortal interned string died.");
default:
Py_FatalError("Inconsistent interned string state.");
}
// 回收内存
Py_TYPE(op)->tp_free(op);
}
性能相关
+与 join
'a' + 'b' + 'c'
or
''.join(['a', 'b', 'c'])
可以查看string_concat方法和string_join方法的源代码
string_concat, 一次加=分配一次内存空间, 拷贝两次. N次链接, 需要N-1次内存分配.
string_join, 计算序列所有元素字符串总长度, 用PyString_FromStringAndSize((char*)NULL, sz)分配内存空间, 然后逐一拷贝. 一次内存操作.
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