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Python虚拟机中复数的实现原理是什么

复数数据结构在cpython当中对于复数的数据结构实现如下所示:typedefstruct{doublereal;doubleimag;}Py_complex;#definePyObject_HEADPyObjectob_base;typedefstruct{PyObject_HEADPy_complexcval;}PyComplexObject;typedefstruct_object{_PyObject_HEAD_EXTRAPy_ssize_tob_refcnt;struct_typeobject*o

本文目录

      复数数据结构

      在 cpython 当中对于复数的数据结构实现如下所示:

      typedef struct {
          double real;
          double imag;
      } Py_complex;
      #define PyObject_HEAD                   PyObject ob_base;
      typedef struct {
          PyObject_HEAD
          Py_complex cval;
      } PyComplexObject;
      typedef struct _object {
          _PyObject_HEAD_EXTRA
          Py_ssize_t ob_refcnt;
          struct _typeobject *ob_type;
      } PyObject;

      上面的数据结构图示如下:

      Python虚拟机中复数的实现原理是什么

      复数的数据在整个 cpython 虚拟机当中来说应该算是比较简单的了,除了一个 PyObject 头部之外就是实部和虚部了。

      • ob_refcnt,表示对象的引用记数的个数,这个对于垃圾回收很有用处,后面我们分析虚拟机中垃圾回收部分在深入分析。

      • ob_type,表示这个对象的数据类型是什么,在 python 当中有时候需要对数据的数据类型进行判断比如 isinstance, type 这两个关键字就会使用到这个字段。

      • real,表示复数的实部。

      • imag,表示复数的虚部。

      复数的操作

      复数加法

      下面是 cpython 当中对于复数加法的实现,为了简洁删除了部分无用代码。

      static PyObject *
      complex_add(PyObject *v, PyObject *w)
      {
          Py_complex result;
          Py_complex a, b;
          TO_COMPLEX(v, a); // TO_COMPLEX 这个宏的作用就是将一个 PyComplexObject 中的 Py_complex 对象存储到 a 当中
          TO_COMPLEX(w, b);
          result = _Py_c_sum(a, b); // 这个函数的具体实现在下方
          return PyComplex_FromCComplex(result); // 这个函数的具体实现在下方
      }
       
      // 真正实现复数加法的函数
      Py_complex
      _Py_c_sum(Py_complex a, Py_complex b)
      {
          Py_complex r;
          r.real = a.real + b.real;
          r.imag = a.imag + b.imag;
          return r;
      }
       
      PyObject *
      PyComplex_FromCComplex(Py_complex cval)
      {
          PyComplexObject *op;
       
          /* Inline PyObject_New */
          // 申请内存空间
          op = (PyComplexObject *) PyObject_MALLOC(sizeof(PyComplexObject));
          if (op == NULL)
              return PyErr_NoMemory();
          // 将这个对象的引用计数设置成 1
          (void)PyObject_INIT(op, &PyComplex_Type);
          // 将复数结构体保存下来
          op->cval = cval;
          return (PyObject *) op;
      }

      上面代码的整体过程比较简单:

      • 首先先从 PyComplexObject 提取真正的复数部分。

      • 将提取到的两个复数进行相加操作。

      • 根据得到的结果在创建一个 PyComplexObject 对象,并且将这个对象返回。

      复数取反

      复数取反操作就是将实部和虚部取相反数就可以了,这个操作也比较简单。

      static PyObject *
      complex_neg(PyComplexObject *v)
      {
          Py_complex neg;
          neg.real = -v->cval.real;
          neg.imag = -v->cval.imag;
          return PyComplex_FromCComplex(neg);
      }
       
      PyObject *
      PyComplex_FromCComplex(Py_complex cval)
      {
          PyComplexObject *op;
       
          /* Inline PyObject_New */
          op = (PyComplexObject *) PyObject_MALLOC(sizeof(PyComplexObject));
          if (op == NULL)
              return PyErr_NoMemory();
          (void)PyObject_INIT(op, &PyComplex_Type);
          op->cval = cval;
          return (PyObject *) op;
      }

      Repr 函数

      我们现在来介绍一下一个有趣的方法,就是复数类型的 repr 函数,这个和类的 __repr__ 函数是作用是一样的我们看一下复数的输出是什么:

      >>> data = complex(0, 1)
      >>> data
      1j
      >>> data = complex(1, 1)
      >>> data
      (1+1j)
      >>> print(data)
      (1+1j)

      复数的 repr 对应的 C 函数如下所示:

      static PyObject *
      complex_repr(PyComplexObject *v)
      {
          int precision = 0;
          char format_code = 'r';
          PyObject *result = NULL;
       
          /* If these are non-NULL, they'll need to be freed. */
          char *pre = NULL;
          char *im = NULL;
       
          /* These do not need to be freed. re is either an alias
             for pre or a pointer to a constant.  lead and tail
             are pointers to constants. */
          char *re = NULL;
          char *lead = "";
          char *tail = "";
          // 对应实部等于 0 虚部大于 0 的情况
          if (v->cval.real == 0. && copysign(1.0, v->cval.real)==1.0) {
              /* Real part is +0: just output the imaginary part and do not
                 include parens. */
              re = "";
              im = PyOS_double_to_string(v->cval.imag, format_code,
                                         precision, 0, NULL);
              if (!im) {
                  PyErr_NoMemory();
                  goto done;
              }
          } else {
              /* Format imaginary part with sign, real part without. Include
                 parens in the result. */
              // 将实部浮点数变成字符串
              pre = PyOS_double_to_string(v->cval.real, format_code,
                                          precision, 0, NULL);
              if (!pre) {
                  PyErr_NoMemory();
                  goto done;
              }
              re = pre;
              // 将虚部浮点数变成字符串
              im = PyOS_double_to_string(v->cval.imag, format_code,
                                         precision, Py_DTSF_SIGN, NULL);
              if (!im) {
                  PyErr_NoMemory();
                  goto done;
              }
              // 用什么括号包围起来
              lead = "(";
              tail = ")";
          }
          result = PyUnicode_FromFormat("%s%s%sj%s", lead, re, im, tail);
        done:
          PyMem_Free(im);
          PyMem_Free(pre);
       
          return result;
      }

      我们现在修改源程序将上面的 () 两个括号变成 [],编译之后执行的结果如下所示:

      Python虚拟机中复数的实现原理是什么

      可以看到括号变成了 [] 。

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