整数对象PyIntObject
整数对象的结构
整数对象是固定大小的Python对象，内部只有一个ob_ival保存实际的整数值。
typedef struct {
PyObject_HEAD
long ob_ival;
} PyIntObject;整数对象的缓存
为了最大限度的减少内存分配和垃圾回收，Python对整数对象设计了缓存。整数对象的缓存由两种类别构成：
小整数对象: 在Python启动时创建，永远不会回收
其他整数对象：创建时分配，回收时先缓存；在最高代的垃圾回收中整体回收
在Python启动时会创建一批默认值为[5, 257)的小整数对象，存储在small_ints中。这些整数对象的生命周期为Python的生命周期，不会被回收。Python只所以这样处理是因此解释器内部会频繁用到这些小整数，如果每次都分配-回收-再分配显然效率不高，不如创建后一直保留用空间换时间。
#ifndef NSMALLPOSINTS
#define NSMALLPOSINTS 257
#endif
#ifndef NSMALLNEGINTS
#define NSMALLNEGINTS 5
#endif
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
/* References to small integers are saved in this array so that they
can be shared.
The integers that are saved are those in the range
-NSMALLNEGINTS (inclusive) to NSMALLPOSINTS (not inclusive).
*/
static PyIntObject *small_ints[NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS]; 可以通过id命令查看小整数对象的特性。
id(246)
id(256)
Out[55]: 31363504L
id(256)
Out[56]: 31363504L # id不会改变
id(257)
Out[53]: 60259096L
id(257)
Out[54]: 60259024L # id会改变通过上面的例子我们可以知道，其他整数对象使用的内存是不固定的，申请时分配释放时回收。当然，这个回收并不一定是返还给系统内存，整数对象系统本身会缓存一部分整数对象。下面通过整数对象系统的初始化揭露整数的缓存方案。
整数对象的初始化
当Python初始化时会调用_PyInt_Init函数进行整数的初始化。
int
_PyInt_Init(void)
{
PyIntObject *v;
int ival;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
for (ival = -NSMALLNEGINTS; ival < NSMALLPOSINTS; ival++) {
if (!free_list && (free_list = fill_free_list()) == NULL)
return 0;
/* PyObject_New is inlined */
v = free_list;
free_list = (PyIntObject *)Py_TYPE(v);
PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
v->ob_ival = ival;
small_ints[ival + NSMALLNEGINTS] = v;
}
#endif
return 1;
}缓存会用到数据结构PyIntBlock以及block_list和free_list链表。PyInBlock用来一次申请多个整数对象的内存，然后再一个个用作PyIntObject，并且通过域next链接到block_list链表上。free_list中是空闲的PyIntObject的链表。fill_free_list初始化后的内存结构如下。
然后通过_PyInt_init初始化为小整数，并将其指针存储到samll_ints数组中加快查找。_PyInt_init初始化后的内存结构如下。
我们可以看到整数对象通过PyIntBlock和free_list进行内存申请和缓存的。
整数对象的创建
当新创建一个整数对象时，先从free_list中查找空闲的整数对象，如果有则直接使用；否则会重新分配PyIntBlock结构并进行初始化。
PyObject *
PyInt_FromLong(long ival)
{
register PyIntObject *v;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
if (-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS) { # 是小整数则直接使用
v = small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
Py_INCREF(v);
#ifdef COUNT_ALLOCS
if (ival >= 0)
quick_int_allocs++;
else
quick_neg_int_allocs++;
#endif
return (PyObject *) v;
}
#endif
if (free_list == NULL) {
if ((free_list = fill_free_list()) == NULL) # 没有空闲的整数对象则分配
return NULL;
}
/* Inline PyObject_New */
v = free_list;
free_list = (PyIntObject *)Py_TYPE(v);
PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
v->ob_ival = ival;
return (PyObject *) v;
}创建一个新的整数257之后的数据结构：
整数对象的回收
当整数对象的引用计数归零时则对其进行回收，由函数int_free操作
static void
int_free(PyIntObject *v)
{
Py_TYPE(v) = (struct _typeobject *)free_list;
free_list = v;
}可以看到被回收的整数对象被连接到free_list链表中。这里有个问题，整数对象的内存什么时候才真正释放呢？
整数对象的释放
原来整数对象的真正释放是在最高代的GC中进行，当GC运行时会调用PyInt_ClearFreeList进行整数对象内存的释放PyInt_ClearFreeList对整个block_list进行遍历，如果其中所有的整数对象的引用计数都为零，则释放整个block。可见整数对象的内存是以PyIntBlock为单位申请和释放的。
int
PyInt_ClearFreeList(void)
{
PyIntObject *p;
PyIntBlock *list, *next;
int i;
int u; /* remaining unfreed ints per block */
int freelist_size = 0;
list = block_list;
block_list = NULL;
free_list = NULL;
while (list != NULL) {
u = 0;
for (i = 0, p = &list->objects[0];
i < N_INTOBJECTS;
i++, p++) {
if (PyInt_CheckExact(p) && p->ob_refcnt != 0)
u++;
}
next = list->next;
if (u) { # 遍历block发现其有引用计数部位零的对象
list->next = block_list;
block_list = list;
# 将PyIntBlock中引用计数为零的整数对象重新挂到free_list链表中
for (i = 0, p = &list->objects[0];
i < N_INTOBJECTS;
i++, p++) {
if (!PyInt_CheckExact(p) ||
p->ob_refcnt == 0) {
Py_TYPE(p) = (struct _typeobject *)
free_list;
free_list = p;
}
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
/* 这段代码没有作用。小整数对象都在small_ints中？
*/
else if (-NSMALLNEGINTS <= p->ob_ival &&
p->ob_ival < NSMALLPOSINTS &&
small_ints[p->ob_ival +
NSMALLNEGINTS] == NULL) {
Py_INCREF(p);
small_ints[p->ob_ival +
NSMALLNEGINTS] = p;
}
#endif
}
}
else { # 整个block的整数对象引用计数均为零，释放整个block
PyMem_FREE(list);
}
freelist_size += u;
list = next;
}
return freelist_size;
}整数对象的操作符
整数对象定义了许多操作符，可以通过以下代码自行查看。
static PyNumberMethods int_as_number = {
(binaryfunc)int_add, /*nb_add*/
(binaryfunc)int_sub, /*nb_subtract*/
(binaryfunc)int_mul, /*nb_multiply*/
(binaryfunc)int_classic_div, /*nb_divide*/
(binaryfunc)int_mod, /*nb_remainder*/
(binaryfunc)int_divmod, /*nb_divmod*/
(ternaryfunc)int_pow, /*nb_power*/
(unaryfunc)int_neg, /*nb_negative*/
(unaryfunc)int_int, /*nb_positive*/
(unaryfunc)int_abs, /*nb_absolute*/
(inquiry)int_nonzero, /*nb_nonzero*/
(unaryfunc)int_invert, /*nb_invert*/
(binaryfunc)int_lshift, /*nb_lshift*/
(binaryfunc)int_rshift, /*nb_rshift*/
(binaryfunc)int_and, /*nb_and*/
(binaryfunc)int_xor, /*nb_xor*/
(binaryfunc)int_or, /*nb_or*/
int_coerce, /*nb_coerce*/
(unaryfunc)int_int, /*nb_int*/
(unaryfunc)int_long, /*nb_long*/
(unaryfunc)int_float, /*nb_float*/
(unaryfunc)int_oct, /*nb_oct*/
(unaryfunc)int_hex, /*nb_hex*/
0, /*nb_inplace_add*/
0, /*nb_inplace_subtract*/
0, /*nb_inplace_multiply*/
0, /*nb_inplace_divide*/
0, /*nb_inplace_remainder*/
0, /*nb_inplace_power*/
0, /*nb_inplace_lshift*/
0, /*nb_inplace_rshift*/
0, /*nb_inplace_and*/
0, /*nb_inplace_xor*/
0, /*nb_inplace_or*/
(binaryfunc)int_div, /* nb_floor_divide */
(binaryfunc)int_true_divide, /* nb_true_divide */
0, /* nb_inplace_floor_divide */
0, /* nb_inplace_true_divide */
(unaryfunc)int_int, /* nb_index */
};
PyTypeObject PyInt_Type = {
PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
"int",
sizeof(PyIntObject),
0,
(destructor)int_dealloc, /* tp_dealloc */
(printfunc)int_print, /* tp_print */
0, /* tp_getattr */
0, /* tp_setattr */
(cmpfunc)int_compare, /* tp_compare */
(reprfunc)int_to_decimal_string, /* tp_repr */
&int_as_number, /* tp_as_number */
0, /* tp_as_sequence */
0, /* tp_as_mapping */
(hashfunc)int_hash, /* tp_hash */
0, /* tp_call */
(reprfunc)int_to_decimal_string, /* tp_str */
PyObject_GenericGetAttr, /* tp_getattro */
0, /* tp_setattro */
0, /* tp_as_buffer */
Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_CHECKTYPES |
Py_TPFLAGS_BASETYPE | Py_TPFLAGS_INT_SUBCLASS, /* tp_flags */
int_doc, /* tp_doc */
0, /* tp_traverse */
0, /* tp_clear */
0, /* tp_richcompare */
0, /* tp_weaklistoffset */
0, /* tp_iter */
0, /* tp_iternext */
int_methods, /* tp_methods */
0, /* tp_members */
int_getset, /* tp_getset */
0, /* tp_base */
0, /* tp_dict */
0, /* tp_descr_get */
0, /* tp_descr_set */
0, /* tp_dictoffset */
0, /* tp_init */
0, /* tp_alloc */
int_new, /* tp_new */
(freefunc)int_free, /* tp_free */
};最后更新于