Python虛擬機器中浮點數的實作原理是什麼？

Float 資料結構

在cpython 虛擬機器當中浮點數類型的資料結構定義如下所示：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

上面的數據結構定義圖示如下：

• 在上面的資料結構當中最重要的一個欄位就是ob_fval，這個就是真實儲存浮點數的地方。

• ob_refcnt 就是物件的參考計數。

• ob_type 就是物件的型別。

浮點數的相關方法

建立float 物件

和我們在前面所討論到的元組和列表物件一樣，在cpython 內部實作float 類型的時候也會為float 物件做一層中間層以加快浮點數的記憶體分配，具體的相關程式碼如下所示：

#define PyFloat_MAXFREELIST    100
static int numfree = 0;
static PyFloatObject *free_list = NULL;

在cpython 內部做多會快取100 個float 物件的記憶體空間，如果超過100 就會直接釋放記憶體了，這裡需要注意一點的是只用一個指標就可以將所有的float 物件快取起來，這一點是如何實現的。

這是使用在物件PyFloatObject 當中的struct _typeobject *ob_type; 這個欄位實現的，用這個欄位指向下一個float 物件的記憶體空間，因為在free_list 當中的資料並沒有使用，因此可以利用這個特點節省一些記憶體空間。下面則是建立float 物件的具體過程：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    // 首先查看 free_list 当中是否有空闲的 float 对象
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        // 如果有 那么就将让 free_list 指向 free_list 当中的下一个 float 对象 并且将对应的个数减 1
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
      	// 否则的话就需要申请内存空间
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type); // PyObject_INIT 这个宏的主要作用是将对象的引用计数设置成 1
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}

加法

下面是在cpython 當中浮點數的加法具體實現，整個過程比較簡單就是得到新的值，並且建立一個新的PyFloatObject 對象，並且將這個對象傳回。

static PyObject *
float_add(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a); // CONVERT_TO_DOUBLE 这个宏的主要作用就是将对象的 ob_fval 这个字段的值保存到 a 当中
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b); // 这个就是将 w 当中的 ob_fval 字段的值保存到 b 当中
    a = a + b;
    return PyFloat_FromDouble(a); // 创建一个新的 float 对象 并且将这个对象返回
}

減法

同理減法也是一樣的。

static PyObject *
float_sub(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    a = a - b;
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

乘法

static PyObject *
float_mul(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    PyFPE_START_PROTECT("multiply", return 0)
    a = a * b;
    PyFPE_END_PROTECT(a)
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

除法

static PyObject *
float_div(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    if (b == 0.0) {
        PyErr_SetString(PyExc_ZeroDivisionError,
                        "float division by zero");
        return NULL;
    }
    a = a / b;
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

取反

這裡加入了一行輸出語句，這個是為了後面方便我們進行測試的。

static PyObject *
float_neg(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在进行取反运算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(-v->ob_fval);
}

求絕對值

static PyObject *
float_abs(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在进行取 abs 运算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(fabs(v->ob_fval));
}

求 bool 值

static int
float_bool(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在进行取 bool 运算\n", v->ob_fval);
    return v->ob_fval != 0.0;
}

下圖是我們對於 cpython 對程式的修改！

下面是修改之後我們再次對浮點數進行操作的時候的輸出，可以看到的是輸出了我們在上面的程式碼當中加入的語句。

以上是Python虛擬機器中浮點數的實作原理是什麼？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！