Python 字符串对象

字符串对象 PyStringObject

PyStringObject是对字符串对象的实现,其具有可变长度的内存空间。即,不同字符串的PyStringObject对象其内存长度可能不同,例如“ni”,“hao”这两个字符串就具有不同的内存长度。同时,PyStringObject又是一个值不可变对象,即一旦创建后,其值一直将保持创建时的值。

定义

[stringobject.h]
typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD //其中的ob_size保存了其可变内存的大小
    long ob_shash; //缓存对象的hash值(未计算时,默认-1)
    int ob_sstate;
    char ob_sval[1]; //字符的实际指针
} PyStringObject;

实际上,其实际的字符长度是由ob_size保存的,满足ob_sval[ob_size] == '\0'

计算字符串对象的hash值如下

[stringobject.h]
static long
string_hash(PyStringObject *a)
{
    register Py_ssize_t len;
    register unsigned char *p;
    register long x;

#ifdef Py_DEBUG
    assert(_Py_HashSecret_Initialized);
#endif
    if (a->ob_shash != -1)
        return a->ob_shash;
    len = Py_SIZE(a);
    /*
      We make the hash of the empty string be 0, rather than using
      (prefix ^ suffix), since this slightly obfuscates the hash secret
    */
    if (len == 0) {
        a->ob_shash = 0;
        return 0;
    }
    p = (unsigned char *) a->ob_sval;
    x = _Py_HashSecret.prefix;
    x ^= *p << 7;
    while (--len >= 0)
        x = (1000003*x) ^ *p++;
    x ^= Py_SIZE(a);
    x ^= _Py_HashSecret.suffix;
    if (x == -1)
        x = -2;
    a->ob_shash = x;
    return x;
}

PyStringObject 类型,对应的对象类型为PyString_Type

创建PyStringObject对象

python提供了两种方法从C中原生的字符串创建PyStringObject对象

  • 利用 PyString_FromString
[stringobject.h]
PyObject *
PyString_FromString(const char *str)
{
    register size_t size;
    register PyStringObject *op;

    assert(str != NULL);
    size = strlen(str);
    // 判断字符串的长度是否超过限制
    if (size > PY_SSIZE_T_MAX - PyStringObject_SIZE) {
        PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
            "string is too long for a Python string");
        return NULL;
    }
    if (size == 0 && (op = nullstring) != NULL) {
        // 返回空字符串 这里的nullstring 已经创建好了
#ifdef COUNT_ALLOCS
        null_strings++;
#endif
        Py_INCREF(op);
        return (PyObject *)op;
    }
    if (size == 1 && (op = characters[*str & UCHAR_MAX]) != NULL) {
        // 返回相应的单字符串,这里的单字符串也是已经创建好的
#ifdef COUNT_ALLOCS
        one_strings++;
#endif
        Py_INCREF(op);
        return (PyObject *)op;
    }

    /* Inline PyObject_NewVar */
    //申请内存,注意这里的大小是 PyStringObject_SIZE + size
    op = (PyStringObject *)PyObject_MALLOC(PyStringObject_SIZE + size);
    if (op == NULL)
        return PyErr_NoMemory();
    (void)PyObject_INIT_VAR(op, &PyString_Type, size);
    op->ob_shash = -1;
    op->ob_sstate = SSTATE_NOT_INTERNED;
    Py_MEMCPY(op->ob_sval, str, size+1);
    /* share short strings */
    if (size == 0) {
        // 第一次创建空字符串
        // 这是将保留这个字符串,以备以后再次创建时直接使用
        PyObject *t = (PyObject *)op;
        PyString_InternInPlace(&t);
        op = (PyStringObject *)t;
        nullstring = op;
        Py_INCREF(op);
    } else if (size == 1) {
        // 第一次创建单字符字符串
        // 这是将保留这单字符个字符串(到数组中),以备以后再次创建时直接使用
        PyObject *t = (PyObject *)op;
        PyString_InternInPlace(&t);
        op = (PyStringObject *)t;
        characters[*str & UCHAR_MAX] = op;
        Py_INCREF(op);
    }
    return (PyObject *) op;
}
创建新的PyStringObject的内存分布
  • 利用 PyString_FromStringAndSize
[stringobject.h]
PyObject *
PyString_FromStringAndSize(const char *str, Py_ssize_t size)
{
    register PyStringObject *op;
    if (size < 0) {
        PyErr_SetString(PyExc_SystemError,
            "Negative size passed to PyString_FromStringAndSize");
        return NULL;
    }
    if (size == 0 && (op = nullstring) != NULL) {
#ifdef COUNT_ALLOCS
        null_strings++;
#endif
        Py_INCREF(op);
        return (PyObject *)op;
    }
    if (size == 1 && str != NULL &&
        (op = characters[*str & UCHAR_MAX]) != NULL)
    {
#ifdef COUNT_ALLOCS
        one_strings++;
#endif
        Py_INCREF(op);
        return (PyObject *)op;
    }

    if (size > PY_SSIZE_T_MAX - PyStringObject_SIZE) {
        PyErr_SetString(PyExc_OverflowError, "string is too large");
        return NULL;
    }

    /* Inline PyObject_NewVar */
    op = (PyStringObject *)PyObject_MALLOC(PyStringObject_SIZE + size);
    if (op == NULL)
        return PyErr_NoMemory();
    (void)PyObject_INIT_VAR(op, &PyString_Type, size);
    op->ob_shash = -1;
    op->ob_sstate = SSTATE_NOT_INTERNED;
    if (str != NULL)
        Py_MEMCPY(op->ob_sval, str, size);
    op->ob_sval[size] = '\0';
    /* share short strings */
    if (size == 0) {
        PyObject *t = (PyObject *)op;
        PyString_InternInPlace(&t);
        op = (PyStringObject *)t;
        nullstring = op;
        Py_INCREF(op);
    } else if (size == 1 && str != NULL) {
        PyObject *t = (PyObject *)op;
        PyString_InternInPlace(&t);
        op = (PyStringObject *)t;
        characters[*str & UCHAR_MAX] = op;
        Py_INCREF(op);
    }
    return (PyObject *) op;
}

PyString_FromString 传入的参数必须是以 NULL(‘\0’)结尾的字符数组的指针,而 PyString_FromStringAndSize 不会有这样的要求,因为通过传入的 size 参数就可以确定需要拷贝的字符的个数.

字符串对象的intern机制

PyString_FromStringPyString_FromStringAndSize中当size == 0size==1时,都使用了函数PyString_InternInPlace。其作用是保存常用字符串的对象,以备下次直接使用

[stringobject.h]
void
PyString_InternInPlace(PyObject **p)
{
    register PyStringObject *s = (PyStringObject *)(*p);
    PyObject *t;
    if (s == NULL || !PyString_Check(s))
        Py_FatalError("PyString_InternInPlace: strings only please!");
    /* If it's a string subclass, we don't really know what putting
       it in the interned dict might do. */
    //进行类型以及状态的检测
    if (!PyString_CheckExact(s))
        return;
    if (PyString_CHECK_INTERNED(s))
        return;
    //创建实现Intern机制的缓存字典
    if (interned == NULL) {
        interned = PyDict_New();
        if (interned == NULL) {
            PyErr_Clear(); /* Don't leave an exception */
            return;
        }
    }
    //从字典中获取对象
    t = PyDict_GetItem(interned, (PyObject *)s);
    if (t) {
        // 存在,则增加引用计数
        Py_INCREF(t);
        Py_SETREF(*p, t);
        return;
    }
    //不存在,则向字典中添加
    if (PyDict_SetItem(interned, (PyObject *)s, (PyObject *)s) < 0) {
        PyErr_Clear();
        return;
    }
    /* The two references in interned are not counted by refcnt.
       The string deallocator will take care of this */
    //调整其计数
    Py_REFCNT(s) -= 2;
    //调整其状态
    PyString_CHECK_INTERNED(s) = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
}

字符串的连接问题

虽然,python的PyStringObject提供了+来实现字符串的连接,但是,其实现是通过创建新的PyStringObject来容纳这个和,也就是,如果要实现N个对象的连接,利用+将分配N-1次内存。
官方推荐的是利用PyStringObjectjoin操作来实现listtuple的连接,这样只需要一次内存分配
例如

a = 'abc'
b = 'def'
c = ''.join((a,b))

参考

《Python 源码剖析》

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