Python虛擬機中復數的實現原理是什么

本篇內容主要講解“Python虛擬機中復數的實現原理是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“Python虛擬機中復數的實現原理是什么”吧!

復數數據結構

在 cpython 當中對于復數的數據結構實現如下所示：

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;

上面的數據結構圖示如下：

復數的數據在整個 cpython 虛擬機當中來說應該算是比較簡單的了，除了一個 PyObject 頭部之外就是實部和虛部了。

• ob_refcnt，表示對象的引用記數的個數，這個對于垃圾回收很有用處，后面我們分析虛擬機中垃圾回收部分在深入分析。

• ob_type，表示這個對象的數據類型是什么，在 python 當中有時候需要對數據的數據類型進行判斷比如 isinstance, type 這兩個關鍵字就會使用到這個字段。

• real，表示復數的實部。

• imag，表示復數的虛部。

復數的操作

復數加法

下面是 cpython 當中對于復數加法的實現，為了簡潔刪除了部分無用代碼。

static PyObject *
complex_add(PyObject *v, PyObject *w)
{
    Py_complex result;
    Py_complex a, b;
    TO_COMPLEX(v, a); // TO_COMPLEX 這個宏的作用就是將一個 PyComplexObject 中的 Py_complex 對象存儲到 a 當中
    TO_COMPLEX(w, b);
    result = _Py_c_sum(a, b); // 這個函數的具體實現在下方
    return PyComplex_FromCComplex(result); // 這個函數的具體實現在下方
}
 
// 真正實現復數加法的函數
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 */
    // 申請內存空間
    op = (PyComplexObject *) PyObject_MALLOC(sizeof(PyComplexObject));
    if (op == NULL)
        return PyErr_NoMemory();
    // 將這個對象的引用計數設置成 1
    (void)PyObject_INIT(op, &PyComplex_Type);
    // 將復數結構體保存下來
    op->cval = cval;
    return (PyObject *) op;
}

上面代碼的整體過程比較簡單：

• 首先先從 PyComplexObject 提取真正的復數部分。

• 將提取到的兩個復數進行相加操作。

• 根據得到的結果在創建一個 PyComplexObject 對象，并且將這個對象返回。

復數取反

復數取反操作就是將實部和虛部取相反數就可以了，這個操作也比較簡單。

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 函數

我們現在來介紹一下一個有趣的方法，就是復數類型的 repr 函數，這個和類的 __repr__ 函數是作用是一樣的我們看一下復數的輸出是什么：

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

復數的 repr 對應的 C 函數如下所示：

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 = "";
    // 對應實部等于 0 虛部大于 0 的情況
    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. */
        // 將實部浮點數變成字符串
        pre = PyOS_double_to_string(v->cval.real, format_code,
                                    precision, 0, NULL);
        if (!pre) {
            PyErr_NoMemory();
            goto done;
        }
        re = pre;
        // 將虛部浮點數變成字符串
        im = PyOS_double_to_string(v->cval.imag, format_code,
                                   precision, Py_DTSF_SIGN, NULL);
        if (!im) {
            PyErr_NoMemory();
            goto done;
        }
        // 用什么括號包圍起來
        lead = "(";
        tail = ")";
    }
    result = PyUnicode_FromFormat("%s%s%sj%s", lead, re, im, tail);
  done:
    PyMem_Free(im);
    PyMem_Free(pre);
 
    return result;
}

我們現在修改源程序將上面的 () 兩個括號變成 []，編譯之后執行的結果如下所示：

可以看到括號變成了 [] 。

到此，相信大家對“Python虛擬機中復數的實現原理是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！