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Python

為你自己讀 CPython 原始碼系列 第 6 篇

Day 6 - 我的 Python 會後空翻！

16th鐵人賽 python #python3 原始碼 為你自己學
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我的 Python 會後空翻！

為你自己學 Python

在上個章節大概看過 PyType_Type 結構並用串列的 PyList_Type 結構來當做範例，這個章節我就仿著類似的手法，做出自己的內建型別 PyKitty_type，而且還讓它可以有後空翻的效果！

先說，平常沒事請不要在 CPython 裡做這件事，這只是純粹實驗性質的練習，好玩而已。

新增型別

首先，我要建立一個 kittyobject.c 跟 kittyobject.h，其中 .h 檔比較簡單，就擺在 Includes 目錄裡就好：

// 檔案：Includes/kittyobject.h

#ifndef Py_KITTYOBJECT_H
#define Py_KITTYOBJECT_H

#include "Python.h"

extern PyTypeObject PyKitty_Type;

#endif

我打算宣告一個叫做 PyKitty_Type 的型別，這要叫什麼名字你可以自己決定，只要不要跟其它內建的型別的名字重複就好。接下來實作的 .c 檔比較囉嗦一點，我就把它跟放在跟串列 listobject.c 相同的 Objects 目錄裡：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

#include <Python.h>
#include "kittyobject.h"

typedef struct {
  PyObject_HEAD
} KittyObject;

這裡我就跟 PyListObject 一樣，定義一個叫做 KittyObject 的結構，裡面如果還想加其它成員變數可以加在這裡。這裡我使用 PyObject_HEAD 而不是像 PyListObject 一樣使用 PyObject_VAR_HEAD 巨集，是因為 PyObject_VAR_HEAD 多了一個 ob_size 用來記錄物件的大小，以我的 PyKittyObject 來說應該不需要它，所以我還擇更簡單的 PyObject_HEAD 巨集。

實作方法

再來，我希望這個型別所產生的物件除了能後空翻之外，還會很有禮貌的打招呼，這裡我先建立兩個簡單的函數：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

static PyObject *
kitty_greeting(KittyObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
  printf("哈囉，凱蒂\n");
  Py_RETURN_NONE;
}

static PyObject *
kitty_backflip(KittyObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
  printf("我的貓會後空翻！後空翻！後空翻！\n");
  Py_RETURN_NONE;
}

函數的命名也可以自己決定，同樣也只要不重複即可，我這裡仿著 listobject.c 裡的函數命名風格，在函數前面加上型別的名字，像是 kitty_greeting 以及 kitty_backflip。裡面的實作也很簡單，就只是用 printf() 函數印出幾個字而已。

然後，我希望待會在 REPL 印出來的時候可以看起來跟別人不太一樣，所以我先準自己的 tp_repl 成員變數的函數，這裡我就叫它 kitty_repr：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

static PyObject *
kitty_repr(KittyObject *self)
{
  return PyUnicode_FromString("❤ Hello Kitty ٩(ˊᗜˋ*)و🍟");
}

照理 __repr__ 應該要印出給開發人員看的東西，通常這裡會印出這個物件的記憶體位置之類的資訊，我這裡只是為了好玩所以故意放了一些不實用的字。最後，我還參考 listobject.c 裡的 list_dealloc 函數，實作一個 kitty_dealloc 函數，主要用除是釋放記憶體：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

static void
kitty_dealloc(KittyObject *self)
{
  Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *)self);
}

實作型別

準備的差不多了，是時候來準備 PyKitty_Type 裡面的內容了：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

PyTypeObject PyKitty_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    .tp_name = "kitty",
    .tp_basicsize = sizeof(KittyObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
    .tp_alloc = PyType_GenericAlloc,
    .tp_new = PyType_GenericNew,
    .tp_free = PyObject_Del,
    .tp_dealloc = (destructor) kitty_dealloc,
    .tp_doc = "哈囉，凱蒂",
};

這裡我是仿著 listobject.c 裡的 PyList_Type 的寫法再做一點微調。因為我想要有個跟字串的 <class 'str'> 或是串列 <class 'list'> 類似的效果，所以這裡我把 tp_name 設定成 "kitty"。

但我們在上個章節也學到，並不是這樣定義了 kitty_greeting、kitty_backflip 或是 kitty_repr 就能被呼叫到，得把它們掛到我寫的這個 PyKitty_Type 身上：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

PyTypeObject PyKitty_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "kitty",
    // ... 略 ...
    .tp_doc = "哈囉，凱蒂",
    .tp_repr = (reprfunc)kitty_repr,
};

我在最後面先把剛剛寫的 kitty_repr 掛在 tp_repr 成員變數上。而另自己寫寫的兩個方法應該是要掛到 tp_methods 上，所以我得先做點準備：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

static PyMethodDef kitty_methods[] = {
    {"greeting", (PyCFunction)kitty_greeting, METH_NOARGS, "哈囉"},
    {"backflip", (PyCFunction)kitty_backflip, METH_NOARGS, "後空翻"},
    {NULL, NULL}
};

我先把準備給 kitty 型別用的方法放在 kitty_methods[] 裡，這個寫法我是參考上個章節在 listobject.c 裡的 list_methods。接著，把它掛到 tp_methods 成員變數上：

// 檔案: Objects/kittyobject.c

PyTypeObject PyKitty_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "kitty",
    // ... 略 ...
    .tp_doc = "哈囉，凱蒂",
    .tp_repr = (reprfunc)kitty_repr,
    .tp_methods = kitty_methods,
};

實作的程式碼的部份差不多就先這樣。

內建型別

接下來，因為我希望讓它可以像串列或 Tuple 一樣，可以不需要 import 就能用的變成內建的型別，所以需要再到 Python/bltinmodule.c 找到 _PyBuiltin_Init() 函數，在這個函數裡你應該會看到一個 SETBUILTIN 巨集，把我們的 PyKitty_Type 掛上去：

// 檔案：Python/bltinmodule.c

PyObject *
_PyBuiltin_Init(PyInterpreterState *interp)
{
    // ... 略 ...
    SETBUILTIN("tuple",                 &PyTuple_Type);
    SETBUILTIN("type",                  &PyType_Type);
    SETBUILTIN("zip",                   &PyZip_Type);
    SETBUILTIN("kitty",                 &PyKitty_Type);
    debug = PyBool_FromLong(config->optimization_level == 0);
    if (PyDict_SetItemString(dict, "__debug__", debug) < 0) {
        Py_DECREF(debug);
        return NULL;
    }
    // ... 略 ...
}

別忘了把 .h 檔加進來：

// 檔案：Python/bltinmodule.c

#include "kittyobject.h"

編譯、執行

最後，再調整一下 Makefile：

// 檔案：Makefile.pre.in

OBJECT_OBJS=	\
		// ... 略 ...
		Objects/unicodeobject.o \
		Objects/unicodectype.o \
		Objects/unionobject.o \
		Objects/weakrefobject.o \
		Objects/kittyobject.o \
		@PERF_TRAMPOLINE_OBJ@

把 Objects/kittyobject.o 加上去。

差不多了，準備開始進行編譯：

$ ./configure
$ make

假設一切都順利的話，我們就可以來試試看了：

>>> kitty
<class 'kitty'>
>>> type(kitty)
<class 'type'>

喔耶！的確有 kitty 這個型別了，而且還不用 import 就有了。再試試看：

>>> help(kitty)

class kitty(object)
 |  哈囉，凱蒂
 |
 |  Methods defined here:
 |

看起來 tp_doc 成員變數也有正常運作，好啦，是時候讓主角登場了：

>>> cc = kitty()
>>> cc
❤ Hello Kitty ٩(ˊᗜˋ*)و🍟

你看看，我們自己做的型別就是跟別人的不一樣！再執行其它的方法看看：

>>> cc.greeting()
哈囉，凱蒂
>>> cc.backflip()
我的貓會後空翻！後空翻！後空翻！

看起來沒問題，只是目前的 kitty 型別還沒辦法帶參數初始化，這樣打招呼的時候就只能固定的說「哈囉，凱蒂」有點不好玩，接下來我們來試著加上帶參數初始化的功能。

帶參數的初始化

目前的 kitty 型別有點無聊，只能固定的打招呼，我希望可以讓它用起來的手感像這樣：

c = kitty()
c.greeting()  # 哈囉！

k = kitty("凱蒂")
k.greeting()  # 哈囉，凱蒂！

有給參數就會在打招呼的時候會帶上名字，沒有的話就禮貌性的說聲哈囉就好。

要做到這件事，目前設計的 KittyObject 結構裡面沒地方可以放名字，所以我加上一個 name 成員變數，待會做初始化的時候可以把傳入的字串指定給它：

// 檔案：Python/kitteyobject.c

typedef struct {
  PyObject_HEAD
  PyObject *name;
} KittyObject;

接下來，我們在寫 Python 的時候應該都知道在建立物件的時候要帶額外的參數給它話，需要在類別裡加上 __init__ 方法，而這個方法會對應到 PyTypeObject 的 tp_init 的成員變數，所以我先加上這個功能：

// 檔案：Python/kitteyobject.c

static int
kitty_init(KittyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
  static char *kwlist[] = {"name", NULL};
  PyObject *name = NULL;

  if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|U", kwlist, &name)) {
    return -1;
  }

  if (name != NULL) {
    Py_INCREF(name);
  }

  Py_XSETREF(self->name, name);
  return 0;
}

簡單說明如下：

  • PyArg_ParseTupleAndKeywords() 函數的用途是把傳入的參數解析成 Python 的物件，而
  • Py_Py_INCREF() 函數的用途是增加物件的參考計數，這樣才不會在函數結束的時候被 Python 的回收機制給回收掉。
  • 使用 Py_XSETREF() 函數，把 name 設定到成員變數的 name。

再來，把這個函數掛到 PyKitty_Type 裡的 tp_init 成員變數上：

// 檔案：Python/kitteyobject.c

PyTypeObject PyKitty_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0) "kitty",
    // ... 略 ...
    .tp_repr = (reprfunc)kitty_repr,
    .tp_methods = kitty_methods,
    .tp_init = (initproc)kitty_init,
};

最後再調整一下原本的 kitty_greeting 函數，讓它可以印出名字：

// 檔案：Python/kitteyobject.c

static PyObject *
kitty_greeting(KittyObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
  if (self->name != NULL) {
    printf("哈囉，%s！\n", PyUnicode_AsUTF8(self->name));
  } else {
    printf("哈囉！\n");
  }

  Py_RETURN_NONE;
}

重新編譯一次之後來試試看：

>>> c = kitty()
>>> c.greeting()
哈囉！
>>> k = kitty("凱蒂")
>>> k.greeting()
哈囉，凱蒂！
>>>

喔耶！成功了，下次你可以約朋友來家裡看你家的 Python 後空翻了！

完整程式碼：

// 檔案：Includes/kittyobject.h

#ifndef Py_KITTYOBJECT_H
#define Py_KITTYOBJECT_H

#include "Python.h"

extern PyTypeObject PyKitty_Type;

#endif

// 檔案：Python/kitteyobject.c

#include <Python.h>
#include "kittyobject.h"

typedef struct {
  PyObject_HEAD
  PyObject *name;
} KittyObject;

static PyObject *
kitty_greeting(KittyObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
  if (self->name != NULL) {
    printf("哈囉，%s！\n", PyUnicode_AsUTF8(self->name));
  } else {
    printf("哈囉！\n");
  }

  Py_RETURN_NONE;
}

static PyObject *
kitty_backflip(KittyObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
  printf("我的貓會後空翻！後空翻！後空翻！\n");
  Py_RETURN_NONE;
}

static PyObject *
kitty_repr(KittyObject *self)
{
  return PyUnicode_FromString("❤ Hello Kitty ٩(ˊᗜˋ*)و🍟");
}

static void
kitty_dealloc(KittyObject *self)
{
  Py_XDECREF(self->name);
  Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *)self);
}

static int
kitty_init(KittyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
  static char *kwlist[] = {"name", NULL};
  PyObject *name = NULL;

  if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|U", kwlist, &name)) {
    return -1;
  }

  if (name != NULL) {
    Py_INCREF(name);
  }

  Py_XSETREF(self->name, name);
  return 0;
}

static PyMethodDef kitty_methods[] = {
    {"greeting", (PyCFunction)kitty_greeting, METH_NOARGS, "哈囉"},
    {"backflip", (PyCFunction)kitty_backflip, METH_NOARGS, "後空翻"},
    {NULL, NULL}
};

PyTypeObject PyKitty_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0) "kitty",
    .tp_basicsize = sizeof(KittyObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
    .tp_alloc = PyType_GenericAlloc,
    .tp_new = PyType_GenericNew,
    .tp_dealloc = (destructor) kitty_dealloc,
    .tp_free = PyObject_Del,
    .tp_doc = "哈囉，凱蒂",
    .tp_repr = (reprfunc)kitty_repr,
    .tp_methods = kitty_methods,
    .tp_init = (initproc)kitty_init,
};

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