原始碼探針：Python 中物件是如何被呼叫的？

楔子

我們知道物件被創建，主要有兩種方式，一種是透過Python/C API，另一種是透過呼叫類型對象。對於內建類型的實例物件而言，這兩種方式都是支援的，例如列表，我們即可以透過[]創建，也可以透過list()，前者是Python/C API，後者是呼叫類型物件。

但對於自訂類別的實例物件而言，我們只能透過呼叫類型物件的方式來建立。而一個物件如果可以被調用，那麼這個物件就是callable，否則就不是callable。

而決定一個物件是不是callable，就取決於其對應的型別物件中是否定義了某個方法。如果從 Python 的角度看的話，這個方法就是 __call__，從解釋器角度看的話，這個方法就是 tp_call。

從Python 的角度看物件的呼叫

呼叫int、str、tuple 可以建立一個整數、字串、元組，呼叫自訂的類別也可以建立出對應的實例對象，說明類型物件是可呼叫的，也就是callable。那麼這些類型物件（int、str、tuple、class等等）的類型物件（type）內部一定有 __call__ 方法。

# int可以调用
# 那么它的类型对象、也就是元类(type), 内部一定有__call__方法
print(hasattr(type, "__call__"))# True
# 而调用一个对象，等价于调用其类型对象的 __call__ 方法
# 所以 int(3.14)实际就等价于如下
print(type.__call__(int, 3.14))# 3

注意：這裡描述的可能有一些繞，我們說int、str、float 這些都是類型物件（簡單來說就是類別），而123、"你好"、3.14 是其對應的實例對象，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) 顯示的也是一個類別。

那麼相對 type 而言，int、str、float 是不是又變成了實例物件呢？因為它們的類型是 type。

所以class 具有二象性：

•  如果站在實例物件（如：123、"satori"、[]、3.14）的角度上，它是類型物件
•  如果站在type 的角度上，它是實例物件
  

同理type 的類型是也是type，那麼type 既是type 的類型對象，type 也是type 的實例物件。雖然這裡描述的會有一些繞，但應該不難理解，並且為了避免後續的描述出現歧義，這裡我們做一個申明：

•  整數、浮點數、字串等等等，我們稱為實例物件
  
•  int、float、str、dict，以及我們自訂的類，我們稱之為類型物件
  
•  type 雖然也是類型對象，但我們稱它為元類別
  

所以type 的內部有__call__ 方法，那麼說明類型物件都是可呼叫的，因為呼叫類型物件就是呼叫type 的_ _call__ 方法。而實例物件能否呼叫就不一定了，這取決於它的類型物件中是否定義了 __call__ 方法，因為呼叫一個對象，本質上是執行其類型物件內部的 __call__ 方法。

class A:
 pass
a = A()
# 因为我们自定义的类 A 里面没有 __call__
# 所以 a 是不可以被调用的
try:
 a()
except Exception as e:
 # 告诉我们 A 的实例对象不可以被调用
 print(e)# 'A' object is not callable
# 如果我们给 A 设置了一个 __call__
type.__setattr__(A, "__call__", lambda self: "这是__call__")
# 发现可以调用了
print(a())# 这是__call__

我們看到這就是動態語言的特性，即便在類別創建完畢之後，依舊可以透過type進行動態設置，而這在靜態語言中是不支援的。所以type是所有類別的元類，它控制了我們自訂類別的生成過程，type這個古老又強大的類別可以讓我們玩出很多新花樣。

但對於內建的類，type是不可以對其動態增加、刪除或修改屬性的，因為內建的類別在底層是靜態定義好的。因為從原始碼我們看到，這些內建的類別、包括元類，它們都是PyTypeObject對象，在底層已經被宣告為全域變數了，或者說它們已經作為靜態類別存在了。所以type雖然是所有類型物件的元類，但是只有在面對我們自訂的類，type才有增刪改的能力。

而且我們也解釋過，Python 的動態性是解釋器將字節碼翻譯成C 程式碼的時候動態賦予的，因此給類動態設定屬性或方法只適用於動態類，也就是在py 檔案中使用class 關鍵字定義的類別。

而對於靜態類別、或編寫擴充模組時定義的擴充類別（兩者是等價的），它們在編譯之後已經是指向C 一級的資料結構了，不需要再被解釋者解釋了，因此解釋器自然也就無法在它們身上動手腳，畢竟彪悍的人生不需要解釋。

try:
 type.__setattr__(dict, "__call__", lambda self: "这是__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，提示我們不可以為內建/擴充類型dict設定屬性，因為它們繞過了解釋器解釋執行這一步，所以其屬性不能被動態設定。

同理其實例物件也是如此，靜態類別的實例物件也不可以動態設定屬性：

class Girl:
 pass
g = Girl()
g.name = "古明地觉"
# 实例对象我们也可以手动设置属性
print(g.name)# 古明地觉
lst = list()
try:
 lst.name = "古明地觉"
except Exception as e:
 # 但是内置类型的实例对象是不可以的
 print(e)# 'list' object has no attribute 'name'

可能有人奇怪了，為什麼列表不行？答案是內建類型的實例物件沒有__dict__屬性字典，因為相關屬性或方法底層已經定義好了，不可以動態新增。如果我們自訂類別的時候，設定了__slots__，那麼效果和內建的類別是相同的。

当然了，我们后面会介绍如何通过动态修改解释器来改变这一点，举个栗子，不是说静态类无法动态设置属性吗？下面我就来打自己脸：

import gc
try:
 type.__setattr__(list, "ping", "pong")
except TypeError as e:
 print(e)# can't set attributes of built-in/extension type 'list'
# 我们看到无法设置，那么我们就来改变这一点
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)

我脸肿了。好吧，其实这只是我们玩的一个小把戏，当我们介绍完整个 CPython 的时候，会来专门聊一聊如何动态修改解释器。比如：让元组变得可修改，让 Python 真正利用多核等等。

从解释器的角度看对象的调用

我们以内置类型 float 为例，我们说创建一个 PyFloatObject，可以通过3.14或者float(3.14)的方式。前者使用Python/C API创建，3.14直接被解析为 C 一级数据结构，也就是PyFloatObject实例；后者使用类型对象创建，通过对float进行一个调用、将3.14作为参数，最终也得到指向C一级数据结构PyFloatObject实例。

Python/C API的创建方式我们已经很清晰了，就是根据值来推断在底层应该对应哪一种数据结构，然后直接创建即可。我们重点看一下通过类型调用来创建实例对象的方式。

如果一个对象可以被调用，它的类型对象中一定要有tp_call(更准确的说成员tp_call的值是一个函数指针，不可以是0)，而PyFloat_Type是可以调用的，这就说明PyType_Type内部的tp_call是一个函数指针，这在Python的层面上我们已经验证过了，下面我们再来通过源码看一下。

//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 */
 //...
}

我们看到在实例化PyType_Type的时候PyTypeObject内部的成员tp_call被设置成了type_call。这是一个函数指针，当我们调用PyFloat_Type的时候，会触发这个type_call指向的函数。

因此 float(3.14) 在C的层面上等价于：

(&PyFloat_Type) -> ob_type -> tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs);
// 即：
(&PyType_Type) -> tp_call(&PyFloat_Type, args, kwargs);
// 而在创建 PyType_Type 的时候，给 tp_call 成员传递的是 type_call
// 因此最终相当于
type_call(&PyFloat_Type, args, kwargs)

如果用 Python 来演示这一过程的话：

# float(3.14)，等价于
f1 = float.__class__.__call__(float, 3.14)
# 等价于
f2 = type.__call__(float, 3.14)
print(f1, f2)# 3.14 3.14

这就是 float(3.14) 的秘密，相信list、dict在实例化的时候是怎么做的，你已经猜到了，做法是相同的。

# lst = list("abcd")
lst = list.__class__.__call__(list, "abcd")
print(lst)# ['a', 'b', 'c', 'd']
# dct = dict([("name", "古明地觉"), ("age", 17)])
dct = dict.__class__.__call__(dict, [("name", "古明地觉"), ("age", 17)])
print(dct)# {'name': '古明地觉', 'age': 17}

最后我们来围观一下 type_call 函数，我们说 type 的 __call__ 方法，在底层对应的是 type_call 函数，它位于Object/typeobject.c中。

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
 // 如果我们调用的是 float
 // 那么显然这里的 type 就是 &PyFloat_Type

 // 这里是声明一个PyObject *
 // 显然它是要返回的实例对象的指针
 PyObject *obj;

 // 这里会检测 tp_new是否为空，tp_new是什么估计有人已经猜到了
 // 我们说__call__对应底层的tp_call
 // 显然__new__对应底层的tp_new，这里是为实例对象分配空间
 if (type->tp_new == NULL) {
 // tp_new 是一个函数指针，指向具体的构造函数
 // 如果 tp_new 为空，说明它没有构造函数
 // 因此会报错，表示无法创建其实例
 PyErr_Format(PyExc_TypeError,
"cannot create '%.100s' instances",
type->tp_name);
 return NULL;
 }

 //通过tp_new分配空间
 //此时实例对象就已经创建完毕了，这里会返回其指针
 obj = type->tp_new(type, args, kwds);
 //类型检测，暂时不用管
 obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
 if (obj == NULL)
 return NULL;
 //我们说这里的参数type是类型对象，但也可以是元类
 //元类也是由PyTypeObject结构体实例化得到的
 //元类在调用的时候执行的依旧是type_call
 //所以这里是检测type指向的是不是PyType_Type
 //如果是的话，那么实例化得到的obj就不是实例对象了，而是类型对象
 //要单独检测一下
 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应该返回相应类型对象的实例对象(的指针)
 //但如果不是，就直接将这里的obj返回
 //此处这么做可能有点难理解，我们一会细说
 if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
 return obj;

 //拿到obj的类型
 type = Py_TYPE(obj);
 //执行 tp_init
 //显然这个tp_init就是__init__函数
 //这与Python中类的实例化过程是一致的。
 if (type->tp_init != NULL) {
 //将tp_new返回的对象作为self，执行 tp_init
 int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
 if (res < 0) {
 //执行失败，将引入计数减1，然后将obj设置为NULL
 assert(PyErr_Occurred());
 Py_DECREF(obj);
 obj = NULL;
 }
 else {
 assert(!PyErr_Occurred());
 }
 }
 //返回obj
 return obj;
}

因此从上面我们可以看到关键的部分有两个：

•  调用类型对象的 tp_new 指向的函数为实例对象申请内存
  
•  调用 tp_init 指向的函数为实例对象进行初始化，也就是设置属性
  

所以这对应Python中的__new__和__init__，我们说__new__是为实例对象开辟一份内存，然后返回指向这片内存(对象)的指针，并且该指针会自动传递给__init__中的self。

class Girl:
 def __new__(cls, name, age):
 print("__new__方法执行啦")
 # 写法非常固定
 # 调用object.__new__(cls)就会创建Girl的实例对象
 # 因此这里的cls指的就是这里的Girl，注意：一定要返回
 # 因为__new__会将自己的返回值交给__init__中的self
 return object.__new__(cls)
 def __init__(self, name, age):
 print("__init__方法执行啦")
 self.name = name
 self.age = age
g = Girl("古明地觉", 16)
print(g.name, g.age)
"""
__new__方法执行啦
__init__方法执行啦
古明地觉 16
"""

__new__里面的参数要和__init__里面的参数保持一致，因为我们会先执行__new__，然后解释器会将__new__的返回值和我们传递的参数组合起来一起传递给__init__。因此__new__里面的参数除了cls之外，一般都会写*args和**kwargs。

然后再回过头来看一下type_call中的这几行代码：

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
 //......
 //......
 if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
 return obj;

 //......
 //......
}

我们说tp_new应该返回该类型对象的实例对象，而且一般情况下我们是不写__new__的，会默认执行。但是我们一旦重写了，那么必须要手动返回object.__new__(cls)。可如果我们不返回，或者返回其它的话，会怎么样呢？

class Girl:
 def __new__(cls, *args, **kwargs):
 print("__new__方法执行啦")
 instance = object.__new__(cls)
 # 打印看看instance到底是个什么东东
 print("instance:", instance)
 print("type(instance):", type(instance))

 # 正确做法是将instance返回
 # 但是我们不返回, 而是返回个 123
 return 123
 def __init__(self, name, age):
 print("__init__方法执行啦")
g = Girl()
"""
__new__方法执行啦
instance: <__main__.Girl object at 0x000002C0F16FA1F0>
type(instance): <class '__main__.Girl'>
"""

这里面有很多可以说的点，首先就是 __init__ 里面需要两个参数，但是我们没有传，却还不报错。原因就在于这个 __init__ 压根就没有执行，因为 __new__ 返回的不是 Girl 的实例对象。

通过打印 instance，我们知道了object.__new__(cls) 返回的就是 cls 的实例对象，而这里的cls就是Girl这个类本身。我们必须要返回instance，才会执行对应的__init__，否则__new__直接就返回了。我们在外部来打印一下创建的实例对象吧，看看结果：

class Girl:
 def __new__(cls, *args, **kwargs):
 return 123
 def __init__(self, name, age):
 print("__init__方法执行啦")
g = Girl()
print(g, type(g))# 123 <class 'int'>

我们看到打印的是123，所以再次总结一些tp_new和tp_init之间的区别，当然也对应__new__和__init__的区别：

•  tp_new：为该类型对象的实例对象申请内存，在Python的__new__方法中通过object.__new__(cls)的方式申请，然后将其返回
•  tp_init：tp_new的返回值会自动传递给self，然后为self绑定相应的属性，也就是进行实例对象的初始化
  

但如果tp_new返回的不是对应类型的实例对象的指针，比如type_call中第一个参数接收的&PyFloat_Type，但是tp_new中返回的却是PyLongObject *，所以此时就不会执行tp_init。

以上面的代码为例，我们Girl中的__new__应该返回Girl的实例对象才对，但实际上返回了整型，因此类型不一致，所以不会执行__init__。

下面我们可以做总结了，通过类型对象去创建实例对象的整体流程如下：

•  第一步：获取类型对象的类型对象，说白了就是元类，执行元类的 tp_call 指向的函数，即 type_call
  
•  第二步：type_call 会调用该类型对象的 tp_new 指向的函数，如果 tp_new 为 NULL，那么会到 tp_base 指定的父类里面去寻找 tp_new。在新式类当中，所有的类都继承自 object，因此最终会执行 object 的 __new__。然后通过访问对应类型对象中的 tp_basicsize 信息，这个信息记录着该对象的实例对象需要占用多大的内存，继而完成申请内存的操作
  
•  调用type_new 创建完对象之后，就会进行实例对象的初始化，会将指向这片空间的指针交给 tp_init，但前提是 tp_new 返回的实例对象的类型要一致。
  

所以都说 Python 在实例化的时候会先调用 __new__ 方法，再调用 __init__ 方法，相信你应该知道原因了，因为在源码中先调用 tp_new、再调用的 tp_init。

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
 //调用__new__方法， 拿到其返回值
 obj = type->tp_new(type, args, kwds);
 if (type->tp_init != NULL) {
 //将__new__返回的实例obj，和args、kwds组合起来
 //一起传给 __init__
 //其中 obj 会传给 self，
 int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
 //......
 return obj;
}

所以源码层面表现出来的，和我们在 Python 层面看到的是一样的。

小结

到此，我们就从 Python 和解释器两个层面了解了对象是如何调用的，更准确的说我们是从解释器的角度对 Python 层面的知识进行了验证，通过 tp_new 和 tp_init 的关系，来了解 __new__ 和 __init__ 的关系。

另外，对象调用远不止我们目前说的这么简单，更多的细节隐藏在了幕后，只不过现在没办法将其一次性全部挖掘出来。

以上是原始碼探針：Python 中物件是如何被呼叫的？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！