In Python integrierte Quellcodeanalyse vom Typ str

1 Unicode

Die Grundeinheit des Computerspeichers ist das Byte, das aus 8 Bits besteht. Da Englisch nur aus 26 Buchstaben plus einer Reihe von Symbolen besteht, können englische Zeichen direkt in Bytes gespeichert werden. Andere Sprachen (wie Chinesisch, Japanisch, Koreanisch usw.) müssen jedoch aufgrund der großen Anzahl von Zeichen mehrere Bytes für die Codierung verwenden.

Mit der Verbreitung der Computertechnologie entwickelt sich die Technologie zur Kodierung nicht-lateinischer Zeichen weiter, es gibt jedoch immer noch zwei wesentliche Einschränkungen:

• Unterstützt keine Mehrsprachensprache: Das Kodierungsschema einer Sprache kann nicht für eine andere Sprache verwendet werden

• Es gibt keinen einheitlichen Standard: Chinesisch hat beispielsweise mehrere Kodierungsstandards wie GBK, GB2312, GB18030 usw.

Da die Kodierungsmethoden nicht einheitlich sind, müssen Entwickler zwischen verschiedenen Kodierungen hin und her konvertieren , was unweigerlich zu vielen Fehlern führt. Um dieses Inkonsistenzproblem zu lösen, wurde der Unicode-Standard vorgeschlagen. Unicode organisiert und kodiert die meisten Schriftsysteme der Welt und ermöglicht es Computern, Texte auf einheitliche Weise zu verarbeiten. Unicode umfasst derzeit mehr als 140.000 Zeichen und unterstützt selbstverständlich mehrere Sprachen. (Unicodes Uni ist die Wurzel von „Vereinigung“)

2 Unicode in Python

2.1 Vorteile von Unicode-Objekten

Nach Python 3 wird das str-Objekt intern durch Unicode dargestellt, sodass es im Quellcode zu einem Unicode-Objekt wird. Der Vorteil der Verwendung der Unicode-Darstellung besteht darin, dass die Kernlogik des Programms Unicode einheitlich verwendet und nur auf der Eingabe- und Ausgabeebene dekodiert und kodiert werden muss, wodurch verschiedene Kodierungsprobleme weitestgehend vermieden werden können.

Das Diagramm sieht wie folgt aus:

2.2 Pythons Optimierung von Unicode

Problem: Da Unicode mehr als 140.000 Zeichen enthält, benötigt jedes Zeichen mindestens 4 Bytes zum Speichern (dies sollte daran liegen, dass ein Abschnitt mit 2 Zeichen nicht ausreicht). , es werden also 4 Bytes anstelle von 3 Bytes verwendet.) Der ASCII-Code für englische Zeichen erfordert nur 1 Byte. Durch die Verwendung von Unicode vervierfachen sich die Kosten für häufig verwendete englische Zeichen.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Größenunterschiede verschiedener Formen von Str-Objekten in Python:

>>> sys.getsizeof('ab') - sys.getsizeof('a')
1
>>> sys.getsizeof('一二') - sys.getsizeof('一')
2
>>> sys.getsizeof('????????') - sys.getsizeof('????')
4

Man erkennt, dass Python Unicode-Objekte intern optimiert: Basierend auf dem Textinhalt wird die zugrunde liegende Speichereinheit ausgewählt.

Der zugrunde liegende Speicher von Unicode-Objekten ist entsprechend dem Unicode-Codepunktbereich der Textzeichen in drei Kategorien unterteilt:

• PyUnicode_1BYTE_KIND: Alle Zeichencodepunkte liegen zwischen U+0000 und U+00FF

• PyUnicode_2BYTE_KIND: Alle Zeichencodepunkte liegen zwischen U+0000 und U+FFFF, und der Codepunkt mindestens eines Zeichens ist größer als U+00FF

• PyUnicode_1BYTE_KIND: Alle Zeichencodepunkte liegen zwischen U+0000 und U+10FFFF, und es gibt at Codepunkt mindestens eines Zeichens größer als U+FFFF

Die entsprechende Aufzählung lautet wie folgt:

enum PyUnicode_Kind {
/* String contains only wstr byte characters.  This is only possible
   when the string was created with a legacy API and _PyUnicode_Ready()
   has not been called yet.  */
    PyUnicode_WCHAR_KIND = 0,
/* Return values of the PyUnicode_KIND() macro: */
    PyUnicode_1BYTE_KIND = 1,
    PyUnicode_2BYTE_KIND = 2,
    PyUnicode_4BYTE_KIND = 4
};

Wählen Sie je nach Klassifizierung unterschiedliche Speichereinheiten aus:

/* Py_UCS4 and Py_UCS2 are typedefs for the respective
   unicode representations. */
typedef uint32_t Py_UCS4;
typedef uint16_t Py_UCS2;
typedef uint8_t Py_UCS1;

Die entsprechende Beziehung lautet wie folgt:

Text Typ	Zeichenspeichereinheit	Größe der Zeichenspeichereinheit (Byte)
PyUnicode_1BYTE_KIND	Py_UCS1	1
PyUnicode_2BYTE_KIND	Py_UCS 2	2
PyUnicode_4BYTE_KIND	Py_UCS4	4

Aufgrund der internen Speicherstruktur von Unicode variieren Texttypen, daher muss die Typart als öffentliches Unicode-Objektfeld gespeichert werden. Python definiert intern einige Flag-Bits als öffentliche Unicode-Felder: (Aufgrund der begrenzten Ebene des Autors werden alle Felder hier nicht im folgenden Inhalt vorgestellt. Sie können später selbst mehr darüber erfahren. Halten Sie Ihre Faust ~)

• intern: ob es sich um eine internierte Mechanismuswartung handelt

• Art: Typ, der zur Unterscheidung der Größe der zugrunde liegenden Zeichenspeichereinheit verwendet wird

• kompakt: Speicherzuweisungsmethode, ob Objekt und Textpuffer getrennt sind

• asscii: ob der Text ausschließlich reines ASCII ist

Verwenden Sie die Funktion PyUnicode_New, um das Unicode-Objekt entsprechend der Anzahl der Textzeichen und der maximalen Zeichengröße maxchar zu initialisieren. Diese Funktion wählt hauptsächlich die kompakteste Zeichenspeichereinheit und zugrunde liegende Struktur für Unicode-Objekte basierend auf maxchar aus: (Der Quellcode ist relativ lang und wird daher hier nicht aufgeführt. Sie können ihn selbst verstehen. Er wird unten in Tabellenform angezeigt )

maxchar 128 256 kindPyUnicode_1BYTE_KINDPyUnicode_1BYTE_KIND PyUnicode_2BYTE_KINDPyUnicode_4BYTE_KINDascii100 0Größe der Zeichenspeichereinheit (Bytes)112 4Untere Struktur PyASCIIObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObjectPyCompactUnicodeObject

3 Unicode对象的底层结构体

3.1 PyASCIIObject

C源码：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    Py_ssize_t length;          /* Number of code points in the string */
    Py_hash_t hash;             /* Hash value; -1 if not set */
    struct {
        unsigned int interned:2;
        unsigned int kind:3;
        unsigned int compact:1;
        unsigned int ascii:1;
        unsigned int ready:1;
        unsigned int :24;
    } state;
    wchar_t *wstr;              /* wchar_t representation (null-terminated) */
} PyASCIIObject;

源码分析：

length：文本长度

hash：文本哈希值

state：Unicode对象标志位

wstr：缓存C字符串的一个wchar_t指针，以“\0”结束（这里和我看的另一篇文章讲得不太一样，另一个描述是：ASCII文本紧接着位于PyASCIIObject结构体后面，我个人觉得现在的这种说法比较准确，毕竟源码结构体后面没有别的字段了）

图示如下：

（注意这里state字段后面有一个4字节大小的空洞，这是结构体字段内存对齐造成的现象，主要是为了优化内存访问效率）

ASCII文本由wstr指向，以’abc’和空字符串对象’'为例：

3.2 PyCompactUnicodeObject

如果文本不全是ASCII，Unicode对象底层便由PyCompactUnicodeObject结构体保存。C源码如下：

/* Non-ASCII strings allocated through PyUnicode_New use the
   PyCompactUnicodeObject structure. state.compact is set, and the data
   immediately follow the structure. */
typedef struct {
    PyASCIIObject _base;
    Py_ssize_t utf8_length;     /* Number of bytes in utf8, excluding the
                                 * terminating \0. */
    char *utf8;                 /* UTF-8 representation (null-terminated) */
    Py_ssize_t wstr_length;     /* Number of code points in wstr, possible
                                 * surrogates count as two code points. */
} PyCompactUnicodeObject;

PyCompactUnicodeObject在PyASCIIObject的基础上增加了3个字段：

utf8_length：文本UTF8编码长度

utf8：文本UTF8编码形式，缓存以避免重复编码运算

wstr_length：wstr的“长度”（这里所谓的长度没有找到很准确的说法，笔者也不太清楚怎么能打印出来，大家可以自行研究下）

注意到，PyASCIIObject中并没有保存UTF8编码形式，这是因为ASCII本身就是合法的UTF8，这也是ASCII文本底层由PyASCIIObject保存的原因。

结构图示：

3.3 PyUnicodeObject

PyUnicodeObject则是Python中str对象的具体实现。C源码如下：

/* Strings allocated through PyUnicode_FromUnicode(NULL, len) use the
   PyUnicodeObject structure. The actual string data is initially in the wstr
   block, and copied into the data block using _PyUnicode_Ready. */
typedef struct {
    PyCompactUnicodeObject _base;
    union {
        void *any;
        Py_UCS1 *latin1;
        Py_UCS2 *ucs2;
        Py_UCS4 *ucs4;
    } data;                     /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */
} PyUnicodeObject;

3.4 示例

在日常开发时，要结合实际情况注意字符串拼接前后的内存大小差别：

>>> import sys
>>> text = 'a' * 1000
>>> sys.getsizeof(text)
1049
>>> text += '????'
>>> sys.getsizeof(text)
4080

4 interned机制

如果str对象的interned标志位为1，Python虚拟机将为其开启interned机制，

源码如下：（相关信息在网上可以看到很多说法和解释，这里笔者能力有限，暂时没有找到最确切的答案，之后补充。抱拳~但是我们通过分析源码应该是能看出一些门道的）

/* This dictionary holds all interned unicode strings.  Note that references
   to strings in this dictionary are *not* counted in the string's ob_refcnt.
   When the interned string reaches a refcnt of 0 the string deallocation
   function will delete the reference from this dictionary.
   Another way to look at this is that to say that the actual reference
   count of a string is:  s->ob_refcnt + (s->state ? 2 : 0)
*/
static PyObject *interned = NULL;
void
PyUnicode_InternInPlace(PyObject **p)
{
    PyObject *s = *p;
    PyObject *t;
#ifdef Py_DEBUG
    assert(s != NULL);
    assert(_PyUnicode_CHECK(s));
#else
    if (s == NULL || !PyUnicode_Check(s))
        return;
#endif
    /* If it's a subclass, we don't really know what putting
       it in the interned dict might do. */
    if (!PyUnicode_CheckExact(s))
        return;
    if (PyUnicode_CHECK_INTERNED(s))
        return;
    if (interned == NULL) {
        interned = PyDict_New();
        if (interned == NULL) {
            PyErr_Clear(); /* Don't leave an exception */
            return;
        }
    }
    Py_ALLOW_RECURSION
    t = PyDict_SetDefault(interned, s, s);
    Py_END_ALLOW_RECURSION
    if (t == NULL) {
        PyErr_Clear();
        return;
    }
    if (t != s) {
        Py_INCREF(t);
        Py_SETREF(*p, t);
        return;
    }
    /* The two references in interned are not counted by refcnt.
       The deallocator will take care of this */
    Py_REFCNT(s) -= 2;
    _PyUnicode_STATE(s).interned = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
}

可以看到，源码前面还是做一些基本的检查。我们可以看一下37行和50行：将s添加到interned字典中时，其实s同时是key和value（这里我不太清楚为什么会这样做），所以s对应的引用计数是+2了的（具体可以看PyDict_SetDefault()的源码），所以在50行时会将计数-2，保证引用计数的正确。

考虑下面的场景：

>>> class User:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
>>> user = User('Tom', 21)
>>> user.__dict__
{'name': 'Tom', 'age': 21}

由于对象的属性由dict保存，这意味着每个User对象都要保存一个str对象‘name’，这会浪费大量的内存。而str是不可变对象，因此Python内部将有潜在重复可能的字符串都做成单例模式，这就是interned机制。Python具体做法就是在内部维护一个全局dict对象，所有开启interned机制的str对象均保存在这里，后续需要使用的时候，先创建，如果判断已经维护了相同的字符串，就会将新创建的这个对象回收掉。

示例：

由不同运算生成’abc’，最后都是同一个对象：

>>> a = 'abc'
>>> b = 'ab' + 'c'
>>> id(a), id(b), a is b
(2752416949872, 2752416949872, True)

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonIn Python integrierte Quellcodeanalyse vom Typ str. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!