A glance

针对小整数的优化；
小整数区间；
ob_type 和全局整数类型对象 PyLong_Type

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整数对象是 Python 中最常用的对象，如果每用到一个整数对象就要进行一次对象的创建、销毁，那成本就太高了，Python 在底层对不同的整数区别对待，以提高效率。

Small int

对于一些足够小的整数，Python 会预先将他们创建好，并且常驻在解释器内存的 small_ints[] 数组中，这样小整数就不需要频繁创建对象，直接引用这些全局对象就可以了。

在 Objects/longobject.c 中定义了 LongObject 的主要函数，其中 get_small_int 用于从全局解释器中获取这些小整数对象。

 static PyObject *
get_small_int(sdigit ival)
{
    assert(IS_SMALL_INT(ival));
    PyInterpreterState *interp = _PyInterpreterState_GET();
    PyObject *v = (PyObject*)interp->small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
    Py_INCREF(v);
    return v;
}

首先通过 _PyInterpreterState_GET 获取解释器，然后访问其中的小整数数组。哪些数字属于小整数呢？

#define IS_SMALL_INT(ival) (-NSMALLNEGINTS <= (ival) && (ival) < NSMALLPOSINTS)

由这个宏可知，当一个整数在 -NSMALLNEGINTS 和 NSMALLPOSINTS 之间时，就是小整数，它们最终的定义在 Include/internal/pycore_interp.h 中：

#define _PY_NSMALLPOSINTS           257
#define _PY_NSMALLNEGINTS           5

所以在 -5 ～ 257 之间的整数会按照小整数处理，直接引用全局对象，而非创建新对象。

创建 LongObject

在 Object/longobject.c 中实现了多种源数据创建 LongObject，最终调用的是下面的函数：

PyLongObject *
_PyLong_New(Py_ssize_t size)
{
    PyLongObject *result;
    /* Number of bytes needed is: offsetof(PyLongObject, ob_digit) +
       sizeof(digit)*size.  Previous incarnations of this code used
       sizeof(PyVarObject) instead of the offsetof, but this risks being
       incorrect in the presence of padding between the PyVarObject header
       and the digits. */
    if (size > (Py_ssize_t)MAX_LONG_DIGITS) {
        PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
                        "too many digits in integer");
        return NULL;
    }
    result = PyObject_MALLOC(offsetof(PyLongObject, ob_digit) +
                             size*sizeof(digit));
    if (!result) {
        PyErr_NoMemory();
        return NULL;
    }
    _PyObject_InitVar((PyVarObject*)result, &PyLong_Type, size);
    return result;
}

函数非常简单，计算内存大小，申请内存，最后进行初始化。其中最重要的一步是 _PyObject_InitVar((PyVarObject)result, &PyLong_Type, size);*

static inline void
_PyObject_InitVar(PyVarObject *op, PyTypeObject *typeobj, Py_ssize_t size)
{
    assert(op != NULL);
    Py_SET_SIZE(op, size);
    _PyObject_Init((PyObject *)op, typeobj);
}

在 _PyObject_Init 中，将当前对象与它的 type 对象关联起来，对于 LongObject 它的 ob_type 会指向 PyLong_Type，其定义在 Object/longobject.c 的第 5632 行：

PyTypeObject PyLong_Type = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
    "int",                                      /* tp_name */
    offsetof(PyLongObject, ob_digit),           /* tp_basicsize */
    sizeof(digit),                              /* tp_itemsize */
    /*
    ************* 忽略了一些代码 ************
    */
    0,                                          /* tp_alloc */
    long_new,                                   /* tp_new */
    PyObject_Del,                               /* tp_free */
};

这是一个全局对象，可以看到第二项为 “int”，即 tp_name 类型名称，看到这里我们终于确定了一个实施 LongObject 就是 Int 类型，这里可以修改 “int” 为 “Integer”，重新编译可以看到整数的类型名称从 “int” 变为 “Integer”。

title

回顾上一节中 LongObject 的内存图，上面的代码清晰的说明了 ob_type 的指向，如果注意观察 PyLong_Type 的定义，PyLong_Type 自身也是一个 PyVarObject，PyLong_Type 不仅表示一个类型，它自己也有类型，其定义的第一行 PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0) 将它的 ob_type 指向另一个类型对象 PyType_Type，说明 PyLong_Type 是一个 “表示类型对象” 的类型对象，有点绕了！如果继续追究下去，会发现 PyType_Type 也有类型，它的 ob_type 指向自己，它自己也是一个 “表示类型对象” 的类型对象。下面补全 LongObject 的图示：

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5. 创建 Long Object

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Small int

创建 LongObject