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深入理解Python虛擬機(jī)中浮點(diǎn)數(shù)(float)的實(shí)現(xiàn)原理及源碼

更新時(shí)間：2023年03月13日 09:20:54 作者：一無(wú)是處的研究僧

在本篇文章當(dāng)中主要分析在 cpython 虛擬機(jī)當(dāng)中 float 類型的實(shí)現(xiàn)原理以及與他相關(guān)的一些源代碼，文中的示例代碼講解詳細(xì)，感興趣的可以了解一下

Float 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在 cpython 虛擬機(jī)當(dāng)中浮點(diǎn)數(shù)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下所示：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義圖示如下：

在上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中最重要的一個(gè)字段就是 ob_fval，這個(gè)就是真實(shí)存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)的地方。
ob_refcnt 就是對(duì)象的引用計(jì)數(shù)。
ob_type 就是對(duì)象的類型。

浮點(diǎn)數(shù)的相關(guān)方法

創(chuàng)建 float 對(duì)象

和我們?cè)谇懊嫠懻摰降脑M和列表對(duì)象一樣，在 cpython 內(nèi)部實(shí)現(xiàn) float 類型的時(shí)候也會(huì)給 float 對(duì)象做一層中間層以加快浮點(diǎn)數(shù)的內(nèi)存分配，具體的相關(guān)代碼如下所示：

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

在 cpython 內(nèi)部做多會(huì)緩存 100 個(gè) float 對(duì)象的內(nèi)存空間，如果超過(guò) 100 就會(huì)直接釋放內(nèi)存了，這里需要注意一點(diǎn)的是只用一個(gè)指針就可以將所有的 float 對(duì)象緩存起來(lái)，這一點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)的。

這是使用在對(duì)象 PyFloatObject 當(dāng)中的 struct _typeobject *ob_type; 這個(gè)字段實(shí)現(xiàn)的，用這個(gè)字段指向下一個(gè) float 對(duì)象的內(nèi)存空間，因?yàn)樵?free_list 當(dāng)中的數(shù)據(jù)并沒(méi)有使用，因此可以利用這個(gè)特點(diǎn)節(jié)省一些內(nèi)存空間。下面則是創(chuàng)建 float 對(duì)象的具體過(guò)程：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    // 首先查看 free_list 當(dāng)中是否有空閑的 float 對(duì)象
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        // 如果有 那么就將讓 free_list 指向 free_list 當(dāng)中的下一個(gè) float 對(duì)象 并且將對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)減 1
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
      	// 否則的話就需要申請(qǐng)內(nèi)存空間
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type); // PyObject_INIT 這個(gè)宏的主要作用是將對(duì)象的引用計(jì)數(shù)設(shè)置成 1
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}

加法

下面是在 cpython 當(dāng)中浮點(diǎn)數(shù)的加法具體實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程比較簡(jiǎn)單就是得到新的值，并且創(chuàng)建一個(gè)新的 PyFloatObject 對(duì)象，并且將這個(gè)對(duì)象返回。

static PyObject *
float_add(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a); // CONVERT_TO_DOUBLE 這個(gè)宏的主要作用就是將對(duì)象的 ob_fval 這個(gè)字段的值保存到 a 當(dāng)中
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b); // 這個(gè)就是將 w 當(dāng)中的 ob_fval 字段的值保存到 b 當(dāng)中
    a = a + b;
    return PyFloat_FromDouble(a); // 創(chuàng)建一個(gè)新的 float 對(duì)象 并且將這個(gè)對(duì)象返回
}

減法

同理減法也是一樣的。

static PyObject *
float_sub(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_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

這里加入了一行輸出語(yǔ)句，這個(gè)是為了后面方便我們進(jìn)行測(cè)試的。

static PyObject *
float_neg(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進(jìn)行取反運(yùn)算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(-v->ob_fval);
}

求絕對(duì)值

static PyObject *
float_abs(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進(jìn)行取 abs 運(yùn)算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(fabs(v->ob_fval));
}

求 bool 值

static int
float_bool(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進(jìn)行取 bool 運(yùn)算\n", v->ob_fval);
    return v->ob_fval != 0.0;
}

下圖是我們對(duì)于 cpython 對(duì)程序的修改！

下面是修改之后我們?cè)俅螌?duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行操作的時(shí)候的輸出，可以看到的是輸出了我們?cè)谏厦娴拇a當(dāng)中加入的語(yǔ)句。

總結(jié)

在本篇文章當(dāng)總主要介紹了一些 float 類型在 cpython 內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的以及和他相關(guān)的加減乘除方法是如何實(shí)現(xiàn)的，以及和部分和關(guān)鍵字有關(guān)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本篇文章主要是討論 float 數(shù)據(jù)類型本身，不涉及其他的東西，其實(shí)關(guān)于類型還有非常大一塊，就是 cpython 內(nèi)部對(duì)象系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)在后面深入討論對(duì)象系統(tǒng)的時(shí)候再進(jìn)行深入分析，在回頭來(lái)看 float 類型會(huì)有更加深刻的理解。

以上就是深入理解Python虛擬機(jī)中浮點(diǎn)數(shù)(float)的實(shí)現(xiàn)原理及源碼的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python虛擬機(jī)浮點(diǎn)數(shù)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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