python 整数运算不溢出底层实现简介

科技前沿 • 2025-01-05 07:22 • 阅读 71

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楔子

int实例对象的底层实现

小整数对象池

整数运算

整数的大小比较

整数的相加

整数的相减

小结

楔子

这次我们来分析一下Python中的整数是如何实现的，我们知道Python中的整数是不会溢出的，换句话说，它可以计算无穷大的数。只要你的内存足够，它就能计算，但是对于C来说显然是不行的，可Python底层又是C实现的，那么它是怎么做到整数不会溢出的呢？

既然想知道答案，那么看一下Python中的整型在底层是怎么定义的就行了。

int实例对象的底层实现

Python中的整数底层对应的结构体是PyLongObject，它位于longobject.h中。

//longobject.h typedef struct _longobject PyLongObject; /* Revealed in longintrepr.h */ //longintrepr.h struct _longobject { PyObject_VAR_HEAD digit ob_digit[1]; }; //合起来可以看成 typedef struct { PyObject_VAR_HEAD digit ob_digit[1]; } PyLongObject; //如果把这个PyLongObject更细致的展开一下就是 typedef struct { Py_ssize_t ob_refcnt; //引用计数 struct _typeobject *ob_type; //类型 Py_ssize_t ob_size; //维护的元素个数 digit ob_digit[1]; //digit类型的数组,长度为1 } PyLongObject;

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别的先不说，就冲里面的ob_size我们就可以思考一番。首先Python中的整数有大小、但应该没有长度的概念吧，那为什么会有一个ob_size呢？从结构体成员来看，这个ob_size指的应该就是ob_digit数组的长度，而这个ob_digit数组显然只能是用来维护具体的值了。而数组的长度不同，那么对应的整数占用的内存也不同。所以答案出来了，整数虽然没有我们生活中的那种长度的概念，但它是个变长对象，因为不同的整数占用的内存可能是不一样的。

因此这个ob_size它指的是底层数组的长度，因为Python中整数对应的值在底层是使用数组来存储的。尽管它没有字符串、列表那种长度的概念，或者说无法对整型使用len方法，但它是个变长对象。

那么下面的重点就在这个ob_digit数组了，我们要从它的身上挖掘信息，看看Python中整数对应的值(比如123)，是怎么放在这个数组里面的。不过首先我们要看看这个digit是个什么类型，它同样定义在longintrepr.h中

讯享网//PYLONG_BITS_IN_DIGIT是一个宏，如果你的机器是64位的，那么它会被定义为30，32位机器则会被定义为15 //至于这个宏是做什么的我们先不管 #if PYLONG_BITS_IN_DIGIT == 30 typedef uint32_t digit; // ... #elif PYLONG_BITS_IN_DIGIT == 15 typedef unsigned short digit; // ... #endif

而我们的机器现在基本上都是64位的，所以PYLONG_BITS_IN_DIGIT会等于30，因为digit等价于uint32_t(unsigned int)，所以它是一个无符号32位整型。

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int实例对象的底层实现

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