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我們知道對象被創(chuàng)建，主要有兩種方式，一種是通過Python/C API，另一種是通過調(diào)用類型對象。對于內(nèi)置類型的實(shí)例對象而言，這兩種方式都是支持的，比如列表，我們即可以通過[]創(chuàng)建，也可以通過list()，前者是Python/C API，后者是調(diào)用類型對象。
但對于自定義類的實(shí)例對象而言，我們只能通過調(diào)用類型對象的方式來創(chuàng)建。而一個(gè)對象如果可以被調(diào)用，那么這個(gè)對象就是callable，否則就不是callable。
而決定一個(gè)對象是不是callable，就取決于其對應(yīng)的類型對象中是否定義了某個(gè)方法。如果從 Python 的角度看的話，這個(gè)方法就是 __call__，從解釋器角度看的話，這個(gè)方法就是 tp_call。
從 Python 的角度看對象的調(diào)用
調(diào)用 int、str、tuple 可以創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)、字符串、元組，調(diào)用自定義的類也可以創(chuàng)建出相應(yīng)的實(shí)例對象，說明類型對象是可調(diào)用的，也就是callable。那么這些類型對象（int、str、tuple、class等等）的類型對象（type）內(nèi)部一定有 __call__ 方法。
# int可以調(diào)用
# 那么它的類型對象、也就是元類(type), 內(nèi)部一定有__call__方法
print(hasattr(type, "__call__")) # True
# 而調(diào)用一個(gè)對象，等價(jià)于調(diào)用其類型對象的 __call__ 方法
# 所以 int(3.14)實(shí)際就等價(jià)于如下
print(type.__call__(int, 3.14)) # 3
注意：這里描述的可能有一些繞，我們說 int、str、float 這些都是類型對象（簡單來說就是類），而 123、"你好"、3.14 是其對應(yīng)的實(shí)例對象，這些都沒問題。但type是不是類型對象，顯然是的，雖然我們稱呼它為元類，但它也是類型對象，如果 print(type) 顯示的也是一個(gè)類。
那么相對 type 而言，int、str、float 是不是又成了實(shí)例對象呢？因?yàn)樗鼈兊念愋褪?type。
所以 class 具有二象性：
- 如果站在實(shí)例對象（如：123、"satori"、[]、3.14）的角度上，它是類型對象
- 如果站在 type 的角度上，它是實(shí)例對象
同理 type 的類型是也是 type，那么 type 既是 type 的類型對象，type 也是 type 的實(shí)例對象。雖然這里描述的會有一些繞，但應(yīng)該不難理解，并且為了避免后續(xù)的描述出現(xiàn)歧義，這里我們做一個(gè)申明：
- 整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串等等，我們稱之為實(shí)例對象
- int、float、str、dict，以及我們自定義的類，我們稱之為類型對象
- type 雖然也是類型對象，但我們稱它為元類
所以 type 的內(nèi)部有 __call__ 方法，那么說明類型對象都是可調(diào)用的，因?yàn)檎{(diào)用類型對象就是調(diào)用 type 的 __call__ 方法。而實(shí)例對象能否調(diào)用就不一定了，這取決于它的類型對象中是否定義了 __call__ 方法，因?yàn)檎{(diào)用一個(gè)對象，本質(zhì)上是執(zhí)行其類型對象內(nèi)部的 __call__ 方法。
class A:
pass
a = A()
# 因?yàn)槲覀冏远x的類 A 里面沒有 __call__
# 所以 a 是不可以被調(diào)用的
try:
a()
except Exception as e:
# 告訴我們 A 的實(shí)例對象不可以被調(diào)用
print(e) # 'A' object is not callable
# 如果我們給 A 設(shè)置了一個(gè) __call__
type.__setattr__(A, "__call__", lambda self: "這是__call__")
# 發(fā)現(xiàn)可以調(diào)用了
print(a()) # 這是__call__
我們看到這就是動(dòng)態(tài)語言的特性，即便在類創(chuàng)建完畢之后，依舊可以通過type進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，而這在靜態(tài)語言中是不支持的。所以type是所有類的元類，它控制了我們自定義類的生成過程，type這個(gè)古老而又強(qiáng)大的類可以讓我們玩出很多新花樣。
但是對于內(nèi)置的類，type是不可以對其動(dòng)態(tài)增加、刪除或者修改屬性的，因?yàn)閮?nèi)置的類在底層是靜態(tài)定義好的。因?yàn)閺脑创a中我們看到，這些內(nèi)置的類、包括元類，它們都是PyTypeObject對象，在底層已經(jīng)被聲明為全局變量了，或者說它們已經(jīng)作為靜態(tài)類存在了。所以type雖然是所有類型對象的元類，但是只有在面對我們自定義的類，type才具有增刪改的能力。
而且我們也解釋過，Python 的動(dòng)態(tài)性是解釋器將字節(jié)碼翻譯成 C 代碼的時(shí)候動(dòng)態(tài)賦予的，因此給類動(dòng)態(tài)設(shè)置屬性或方法只適用于動(dòng)態(tài)類，也就是在 py 文件中使用 class 關(guān)鍵字定義的類。
而對于靜態(tài)類、或者編寫擴(kuò)展模塊時(shí)定義的擴(kuò)展類（兩者是等價(jià)的），它們在編譯之后已經(jīng)是指向 C 一級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，不需要再被解釋器解釋了，因此解釋器自然也就無法在它們身上動(dòng)手腳，畢竟彪悍的人生不需要解釋。
try:
type.__setattr__(dict, "__call__", lambda self: "這是__call__")
except Exception as e:
print(e) # can't set attributes of built-in/extension type 'dict'
我們看到拋異常了，提示我們不可以給內(nèi)置/擴(kuò)展類型dict設(shè)置屬性，因?yàn)樗鼈兝@過了解釋器解釋執(zhí)行這一步，所以其屬性不能被動(dòng)態(tài)設(shè)置。
同理其實(shí)例對象亦是如此，靜態(tài)類的實(shí)例對象也不可以動(dòng)態(tài)設(shè)置屬性：
class Girl:
pass
g = Girl()
g.name = "古明地覺"
# 實(shí)例對象我們也可以手動(dòng)設(shè)置屬性
print(g.name) # 古明地覺
lst = list()
try:
lst.name = "古明地覺"
except Exception as e:
# 但是內(nèi)置類型的實(shí)例對象是不可以的
print(e) # 'list' object has no attribute 'name'
可能有人奇怪了，為什么列表不行呢？答案是內(nèi)置類型的實(shí)例對象沒有__dict__屬性字典，因?yàn)橄嚓P(guān)屬性或方法底層已經(jīng)定義好了，不可以動(dòng)態(tài)添加。如果我們自定義類的時(shí)候，設(shè)置了__slots__，那么效果和內(nèi)置的類是相同的。
當(dāng)然了，我們后面會介紹如何通過動(dòng)態(tài)修改解釋器來改變這一點(diǎn)，舉個(gè)栗子，不是說靜態(tài)類無法動(dòng)態(tài)設(shè)置屬性嗎？下面我就來打自己臉：
import gc
try:
type.__setattr__(list, "ping", "pong")
except TypeError as e:
print(e) # can't set attributes of built-in/extension type 'list'
# 我們看到無法設(shè)置，那么我們就來改變這一點(diǎn)
attrs = gc.get_referents(tuple.__dict__)[0]
attrs["ping"] = "pong"
print(().ping) # pong
attrs["append"] = lambda self, item: self + (item,)
print(
().append(1).append(2).append(3)
) # (1, 2, 3)
我臉腫了。好吧，其實(shí)這只是我們玩的一個(gè)小把戲，當(dāng)我們介紹完整個(gè) CPython 的時(shí)候，會來專門聊一聊如何動(dòng)態(tài)修改解釋器。比如：讓元組變得可修改，讓 Python 真正利用多核等等。
從解釋器的角度看對象的調(diào)用
我們以內(nèi)置類型 float 為例，我們說創(chuàng)建一個(gè) PyFloatObject，可以通過3.14或者float(3.14)的方式。前者使用Python/C API創(chuàng)建，3.14直接被解析為 C 一級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是PyFloatObject實(shí)例；后者使用類型對象創(chuàng)建，通過對float進(jìn)行一個(gè)調(diào)用、將3.14作為參數(shù)，最終也得到指向C一級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PyFloatObject實(shí)例。
Python/C API的創(chuàng)建方式我們已經(jīng)很清晰了，就是根據(jù)值來推斷在底層應(yīng)該對應(yīng)哪一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后直接創(chuàng)建即可。我們重點(diǎn)看一下通過類型調(diào)用來創(chuàng)建實(shí)例對象的方式。
如果一個(gè)對象可以被調(diào)用，它的類型對象中一定要有tp_call(更準(zhǔn)確的說成員tp_call的值是一個(gè)函數(shù)指針，不可以是0)，而PyFloat_Type是可以調(diào)用的，這就說明PyType_Type內(nèi)部的tp_call是一個(gè)函數(shù)指針，這在Python的層面上我們已經(jīng)驗(yàn)證過了，下面我們再來通過源碼看一下。
//typeobject.c
PyTypeObject PyType_Type = {
PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
"type", /* tp_name */
sizeof(PyHeapTypeObject), /* tp_basicsize */
sizeof(PyMemberDef), /* tp_itemsize */
(destructor)type_dealloc, /* tp_dealloc */
//... /* tp_hash */
(ternaryfunc)type_call, /* tp_call */
//...
}
我們看到在實(shí)例化PyType_Type的時(shí)候PyTypeObject內(nèi)部的成員tp_call被設(shè)置成了type_call。這是一個(gè)函數(shù)指針，當(dāng)我們調(diào)用PyFloat_Type的時(shí)候，會觸發(fā)這個(gè)type_call指向的函數(shù)。
因此 float(3.14) 在C的層面上等價(jià)于：
(&PyFloat_Type) -> ob_type -> tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs);
// 即：
(&PyType_Type) -> tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs);
// 而在創(chuàng)建 PyType_Type 的時(shí)候，給 tp_call 成員傳遞的是 type_call
// 因此最終相當(dāng)于
type_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)
如果用 Python 來演示這一過程的話：
# float(3.14)，等價(jià)于
f1 = float.__class__.__call__(float, 3.14)
# 等價(jià)于
f2 = type.__call__(float, 3.14)
print(f1, f2) # 3.14 3.14
這就是 float(3.14) 的秘密，相信list、dict在實(shí)例化的時(shí)候是怎么做的，你已經(jīng)猜到了，做法是相同的。
# lst = list("abcd")
lst = list.__class__.__call__(list, "abcd")
print(lst) # ['a', 'b', 'c', 'd']
# dct = dict([("name", "古明地覺"), ("age", 17)])
dct = dict.__class__.__call__(dict, [("name", "古明地覺"), ("age", 17)])
print(dct) # {'name': '古明地覺', 'age': 17}最后我們來圍觀一下 type_call 函數(shù)，我們說 type 的 __call__ 方法，在底層對應(yīng)的是 type_call 函數(shù)，它位于Object/typeobject.c中。
static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
// 如果我們調(diào)用的是 float
// 那么顯然這里的 type 就是 &PyFloat_Type
// 這里是聲明一個(gè)PyObject *
// 顯然它是要返回的實(shí)例對象的指針
PyObject *obj;
// 這里會檢測 tp_new是否為空，tp_new是什么估計(jì)有人已經(jīng)猜到了
// 我們說__call__對應(yīng)底層的tp_call
// 顯然__new__對應(yīng)底層的tp_new，這里是為實(shí)例對象分配空間
if (type->tp_new == NULL) {
// tp_new 是一個(gè)函數(shù)指針，指向具體的構(gòu)造函數(shù)
// 如果 tp_new 為空，說明它沒有構(gòu)造函數(shù)
// 因此會報(bào)錯(cuò)，表示無法創(chuàng)建其實(shí)例
PyErr_Format(PyExc_TypeError,
"cannot create '%.100s' instances",
type->tp_name);
return NULL;
}
//通過tp_new分配空間
//此時(shí)實(shí)例對象就已經(jīng)創(chuàng)建完畢了，這里會返回其指針
obj = type->tp_new(type, args, kwds);
//類型檢測，暫時(shí)不用管
obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
if (obj == NULL)
return NULL;
//我們說這里的參數(shù)type是類型對象，但也可以是元類
//元類也是由PyTypeObject結(jié)構(gòu)體實(shí)例化得到的
//元類在調(diào)用的時(shí)候執(zhí)行的依舊是type_call
//所以這里是檢測type指向的是不是PyType_Type
//如果是的話，那么實(shí)例化得到的obj就不是實(shí)例對象了，而是類型對象
//要單獨(dú)檢測一下
if (type == &PyType_Type &&
PyTuple_Check(args) && PyTuple_GET_SIZE(args) == 1 &&
(kwds == NULL ||
(PyDict_Check(kwds) && PyDict_GET_SIZE(kwds) == 0)))
return obj;
//tp_new應(yīng)該返回相應(yīng)類型對象的實(shí)例對象(的指針)
//但如果不是，就直接將這里的obj返回
//此處這么做可能有點(diǎn)難理解，我們一會細(xì)說
if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
return obj;
//拿到obj的類型
type = Py_TYPE(obj);
//執(zhí)行 tp_init
//顯然這個(gè)tp_init就是__init__函數(shù)
//這與Python中類的實(shí)例化過程是一致的。
if (type->tp_init != NULL) {
//將tp_new返回的對象作為self，執(zhí)行 tp_init
int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
if (res < 0) {
//執(zhí)行失敗，將引入計(jì)數(shù)減1，然后將obj設(shè)置為NULL
assert(PyErr_Occurred());
Py_DECREF(obj);
obj = NULL;
}
else {
assert(!PyErr_Occurred());
}
}
//返回obj
return obj;
}
因此從上面我們可以看到關(guān)鍵的部分有兩個(gè)：
- 調(diào)用類型對象的 tp_new 指向的函數(shù)為實(shí)例對象申請內(nèi)存
- 調(diào)用 tp_init 指向的函數(shù)為實(shí)例對象進(jìn)行初始化，也就是設(shè)置屬性
所以這對應(yīng)Python中的__new__和__init__，我們說__new__是為實(shí)例對象開辟一份內(nèi)存，然后返回指向這片內(nèi)存(對象)的指針，并且該指針會自動(dòng)傳遞給__init__中的self。
class Girl:
def __new__(cls, name, age):
print("__new__方法執(zhí)行啦")
# 寫法非常固定
# 調(diào)用object.__new__(cls)就會創(chuàng)建Girl的實(shí)例對象
# 因此這里的cls指的就是這里的Girl，注意：一定要返回
# 因?yàn)開_new__會將自己的返回值交給__init__中的self
return object.__new__(cls)
def __init__(self, name, age):
print("__init__方法執(zhí)行啦")
self.name = name
self.age = age
g = Girl("古明地覺", 16)
print(g.name, g.age)
"""
__new__方法執(zhí)行啦
__init__方法執(zhí)行啦
古明地覺 16
"""
__new__里面的參數(shù)要和__init__里面的參數(shù)保持一致，因?yàn)槲覀儠葓?zhí)行__new__，然后解釋器會將__new__的返回值和我們傳遞的參數(shù)組合起來一起傳遞給__init__。因此__new__里面的參數(shù)除了cls之外，一般都會寫*args和**kwargs。
然后再回過頭來看一下type_call中的這幾行代碼：
static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
//......
//......
if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
return obj;
//......
//......
}
我們說tp_new應(yīng)該返回該類型對象的實(shí)例對象，而且一般情況下我們是不寫__new__的，會默認(rèn)執(zhí)行。但是我們一旦重寫了，那么必須要手動(dòng)返回object.__new__(cls)?？扇绻覀儾环祷兀蛘叻祷仄渌脑?，會怎么樣呢？
class Girl:
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print("__new__方法執(zhí)行啦")
instance = object.__new__(cls)
# 打印看看instance到底是個(gè)什么東東
print("instance:", instance)
print("type(instance):", type(instance))
# 正確做法是將instance返回
# 但是我們不返回, 而是返回個(gè) 123
return 123
def __init__(self, name, age):
print("__init__方法執(zhí)行啦")
g = Girl()
"""
__new__方法執(zhí)行啦
instance: <__main__.Girl object at 0x000002C0F16FA1F0>
type(instance):
"""
這里面有很多可以說的點(diǎn)，首先就是 __init__ 里面需要兩個(gè)參數(shù)，但是我們沒有傳，卻還不報(bào)錯(cuò)。原因就在于這個(gè) __init__ 壓根就沒有執(zhí)行，因?yàn)?__new__ 返回的不是 Girl 的實(shí)例對象。
通過打印 instance，我們知道了object.__new__(cls) 返回的就是 cls 的實(shí)例對象，而這里的cls就是Girl這個(gè)類本身。我們必須要返回instance，才會執(zhí)行對應(yīng)的__init__，否則__new__直接就返回了。我們在外部來打印一下創(chuàng)建的實(shí)例對象吧，看看結(jié)果：
class Girl:
def __new__(cls, *args, **kwargs):
return 123
def __init__(self, name, age):
print("__init__方法執(zhí)行啦")
g = Girl()
print(g, type(g)) # 123
我們看到打印的是123，所以再次總結(jié)一些tp_new和tp_init之間的區(qū)別，當(dāng)然也對應(yīng)__new__和__init__的區(qū)別：
- tp_new：為該類型對象的實(shí)例對象申請內(nèi)存，在Python的__new__方法中通過object.__new__(cls)的方式申請，然后將其返回
- tp_init：tp_new的返回值會自動(dòng)傳遞給self，然后為self綁定相應(yīng)的屬性，也就是進(jìn)行實(shí)例對象的初始化
但如果tp_new返回的不是對應(yīng)類型的實(shí)例對象的指針，比如type_call中第一個(gè)參數(shù)接收的&PyFloat_Type，但是tp_new中返回的卻是PyLongObject *，所以此時(shí)就不會執(zhí)行tp_init。
以上面的代碼為例，我們Girl中的__new__應(yīng)該返回Girl的實(shí)例對象才對，但實(shí)際上返回了整型，因此類型不一致，所以不會執(zhí)行__init__。
下面我們可以做總結(jié)了，通過類型對象去創(chuàng)建實(shí)例對象的整體流程如下：
- 第一步：獲取類型對象的類型對象，說白了就是元類，執(zhí)行元類的 tp_call 指向的函數(shù)，即 type_call
- 第二步：type_call 會調(diào)用該類型對象的 tp_new 指向的函數(shù)，如果 tp_new 為 NULL，那么會到 tp_base 指定的父類里面去尋找 tp_new。在新式類當(dāng)中，所有的類都繼承自 object，因此最終會執(zhí)行 object 的 __new__。然后通過訪問對應(yīng)類型對象中的 tp_basicsize 信息，這個(gè)信息記錄著該對象的實(shí)例對象需要占用多大的內(nèi)存，繼而完成申請內(nèi)存的操作
- 調(diào)用type_new 創(chuàng)建完對象之后，就會進(jìn)行實(shí)例對象的初始化，會將指向這片空間的指針交給 tp_init，但前提是 tp_new 返回的實(shí)例對象的類型要一致。
所以都說 Python 在實(shí)例化的時(shí)候會先調(diào)用 __new__ 方法，再調(diào)用 __init__ 方法，相信你應(yīng)該知道原因了，因?yàn)樵谠创a中先調(diào)用 tp_new、再調(diào)用的 tp_init。
static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
//調(diào)用__new__方法， 拿到其返回值
obj = type->tp_new(type, args, kwds);
if (type->tp_init != NULL) {
//將__new__返回的實(shí)例obj，和args、kwds組合起來
//一起傳給 __init__
//其中 obj 會傳給 self，
int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
//......
return obj;
}
所以源碼層面表現(xiàn)出來的，和我們在 Python 層面看到的是一樣的。
小結(jié)
到此，我們就從 Python 和解釋器兩個(gè)層面了解了對象是如何調(diào)用的，更準(zhǔn)確的說我們是從解釋器的角度對 Python 層面的知識進(jìn)行了驗(yàn)證，通過 tp_new 和 tp_init 的關(guān)系，來了解 __new__ 和 __init__ 的關(guān)系。
另外，對象調(diào)用遠(yuǎn)不止我們目前說的這么簡單，更多的細(xì)節(jié)隱藏在了幕后，只不過現(xiàn)在沒辦法將其一次性全部挖掘出來。
當(dāng)前名稱：源碼探秘：Python中對象是如何被調(diào)用的？
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