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前菜

在我們使用Python的過程, 很多時候會用到 + 運算, 例如: 

a = 1 + 2 
 
print a 
 
# 輸出 
 
3  

不光在加法中使用, 在字符串的拼接也同樣發(fā)揮這重要的作用, 例如:

a = 'abc' + 'efg' 
 
print a 
 
# 輸出 
 
abcefg  

同樣的, 在列表中也能使用, 例如:

a = [1, 2, 3] + [4, 5, 6] 
 
print a 
 
# 輸出 
 
[1, 2, 3, 4, 5, 6]  

為什么上面不同的對象執(zhí)行同一個 + 會有不同的效果呢? 這就涉及到 + 的重載, 然而這不是本文要討論的重點, 上面的只是前菜而已~~~

正文

先看一個例子:

num = 123 
 
num = num + 4 
 
print num 
 
# 輸出 
 
127  

這段代碼的用途很明確, 就是一個簡單的數字相加, 但是這樣似乎很繁瑣, 一點都Pythonic, 于是就有了下面的代碼:

num = 123 
 
num += 4 
 
print num 
 
# 輸出 
 
127  

哈, 這樣就很Pythonic了! 但是這種用法真的就是這么好么? 不一定. 看例子:

# coding: utf8 
 
l = [1, 2] 
 
l = l + [3, 4] 
 
print l 
 
# 輸出 
 
[1, 2, 3, 4] 
 
# ------------------------------------------ 
 
l = [1, 2] 
 
l += [3, 4] # 列表的+被重載了, 左右操作數必須都是iterable對象, 否則會報錯 
 
print l 
 
# 輸出 
 
[1, 2, 3, 4]  

看起來結果都一樣嘛~, 但是真的一樣嗎? 我們改下代碼再看下:

# coding: utf8 
 
l = [1, 2] 
 
print 'l之前的id: ', id(l) 
 
l = l + [3, 4] 
 
print 'l之后的id: ', id(l) 
 
# 輸出 
 
l之前的id: 40270024 
 
l之后的id: 40389000 
 
# ------------------------------------------ 
 
l = [1, 2] 
 
print 'l之前的id: ', id(l) 
 
l += [3, 4] # 列表的+被重載了, 左右操作數必須都是iterable對象, 否則會報錯 
 
print 'l之后的id: ', id(l) 
 
# 輸出 
 
l之前的id: 40270024 
 
l之后的id: 40270024  

看到結果了嗎? 雖然結果一樣, 但是通過 id 的值表示, 運算前后, 第一種方法對象是不同的了, 而第二種還是同一個對象! 為什么會這樣?

結果分析

先來看看字節(jié)碼:

[root@test1 ~]# cat 2.py  
# coding: utf8 
l = [1, 2] 
l = l + [3, 4] 
print l 
 
 
l = [1, 2] 
l += [3, 4]   
print l 
[root@test1 ~]# python -m dis 2.py  
  2           0 LOAD_CONST               0 (1) 
              3 LOAD_CONST               1 (2) 
              6 BUILD_LIST               2 
              9 STORE_NAME               0 (l) 
 
  3          12 LOAD_NAME                0 (l) 
             15 LOAD_CONST               2 (3) 
             18 LOAD_CONST               3 (4) 
             21 BUILD_LIST               2 
             24 BINARY_ADD           
             25 STORE_NAME               0 (l) 
 
  4          28 LOAD_NAME                0 (l) 
             31 PRINT_ITEM           
             32 PRINT_NEWLINE        
 
  7          33 LOAD_CONST               0 (1) 
             36 LOAD_CONST               1 (2) 
             39 BUILD_LIST               2 
             42 STORE_NAME               0 (l) 
 
  8          45 LOAD_NAME                0 (l) 
             48 LOAD_CONST               2 (3) 
             51 LOAD_CONST               3 (4) 
             54 BUILD_LIST               2 
             57 INPLACE_ADD          
             58 STORE_NAME               0 (l) 
 
  9          61 LOAD_NAME                0 (l) 
             64 PRINT_ITEM           
             65 PRINT_NEWLINE        
             66 LOAD_CONST               4 (None) 
             69 RETURN_VALUE  

在上訴的字節(jié)碼, 我們著重需要看的是兩個: BINARY_ADD 和 INPLACE_ADD ! 很明顯:

l = l + [3, 4, 5] 這種背后就是 BINARY_ADD

l += [3, 4, 5] 這種背后就是 INPLACE_ADD

深入理解

雖然兩個單詞差很遠, 但其實兩個的作用是很類似的, 最起碼前面一部分是, 為什么這樣說, 請看源碼:

# 取自ceva.c 
# BINARY_ADD 
TARGET_NOARG(BINARY_ADD) 
        { 
            w = POP(); 
            v = TOP(); 
            if (PyInt_CheckExact(v) && PyInt_CheckExact(w)) {    // 檢查左右操作數是否 int 類型 
                /* INLINE: int + int */ 
                register long a, b, i; 
                a = PyInt_AS_LONG(v); 
                b = PyInt_AS_LONG(w); 
                /* cast to avoid undefined behaviour 
                   on overflow */ 
                i = (long)((unsigned long)a + b); 
                if ((i^a) < 0 && (i^b) < 0) 
                    goto slow_add; 
                x = PyInt_FromLong(i); 
            } 
            else if (PyString_CheckExact(v) && 
                     PyString_CheckExact(w)) {                   // 檢查左右操作數是否 string 類型 
                x = string_concatenate(v, w, f, next_instr); 
                /* string_concatenate consumed the ref to v */ 
                goto skip_decref_vx; 
            } 
            else { 
              slow_add:                                          // 兩者都不是, 請走這里~ 
                x = PyNumber_Add(v, w); 
            } 
           ...(省略) 
 
 
# INPLACE_ADD 
TARGET_NOARG(INPLACE_ADD) 
        { 
            w = POP(); 
            v = TOP(); 
            if (PyInt_CheckExact(v) && PyInt_CheckExact(w)) {   // 檢查左右操作數是否 int 類型 
                /* INLINE: int + int */ 
                register long a, b, i; 
                a = PyInt_AS_LONG(v); 
                b = PyInt_AS_LONG(w); 
                i = a + b; 
                if ((i^a) < 0 && (i^b) < 0) 
                    goto slow_iadd; 
                x = PyInt_FromLong(i); 
            } 
            else if (PyString_CheckExact(v) && 
                     PyString_CheckExact(w)) {                 // 檢查左右操作數是否 string 類型 
                x = string_concatenate(v, w, f, next_instr); 
                /* string_concatenate consumed the ref to v */ 
                goto skip_decref_v; 
            } 
            else { 
              slow_iadd:                            
                x = PyNumber_InPlaceAdd(v, w);                 // 兩者都不是, 請走這里~ 
            } 
           ... (省略)  

從上面可以看出, 不管是 BINARY_ADD 還是 INPLACE_ADD , 他們都會有如下相同的操作:

檢查是不是都是`int`類型, 如果是, 直接返回兩個數值相加的結果

檢查是不是都是`string`類型, 如果是, 直接返回字符串拼接的結果

因為兩者的行為真的很類似, 所以在這著重講 INPLACE_ADD , 對 BINARY_ADD 感興趣的童鞋可以在源碼文件: abstract.c , 搜索: PyNumber_Add .實際上也就少了對列表之類對象的操作而已.

那我們接著繼續(xù), 先貼個源碼:

PyObject * 
PyNumber_InPlaceAdd(PyObject *v, PyObject *w) 
{ 
    PyObject *result = binary_iop1(v, w, NB_SLOT(nb_inplace_add),      
                                   NB_SLOT(nb_add)); 
    if (result == Py_NotImplemented) { 
        PySequenceMethods *m = v->ob_type->tp_as_sequence; 
        Py_DECREF(result); 
        if (m != NULL) { 
            binaryfunc f = NULL; 
            if (HASINPLACE(v)) 
                f = m->sq_inplace_concat; 
            if (f == NULL) 
                f = m->sq_concat; 
            if (f != NULL) 
                return (*f)(v, w); 
        } 
        result = binop_type_error(v, w, "+="); 
    } 
    return result;  

INPLACE_ADD 本質上是對應著 abstract.c 文件里面的 PyNumber_InPlaceAdd 函數, 在這個函數中, 首先調用 binary_iop1 函數, 然后進而又調用了里面的 binary_op1 函數, 這兩個函數很大一個篇幅, 都是針對 ob_type->tp_as_number , 而我們目前是 list , 所以他們的大部分操作, 都和我們的無關. 正因為無關, 所以這兩函數調用最后, 直接返回 Py_NotImplemented , 而這個是用來干嘛, 這個有大作用, 是列表相加的核心所在!

因為 binary_iop1 的調用結果是 Py_NotImplemented , 所以下面的判斷成立, 開始尋找對象( 也就是演示代碼中l(wèi)對象 )的 ob_type->tp_as_sequence 屬性.

因為我們的對象是l(列表), 所以我們需要去 PyList_type 需找真相:

# 取自: listobject.c 
PyTypeObject PyList_Type = { 
    ... (省略) 
    &list_as_sequence,                          /* tp_as_sequence */ 
    ... (省略) 
}  

可以看出, 其實也就是直接取 list_as_sequence , 而這個是什么呢? 其實是一個結構體, 里面存放了列表的部分功能函數.

static PySequenceMethods list_as_sequence = { 
    (lenfunc)list_length,                       /* sq_length */ 
    (binaryfunc)list_concat,                    /* sq_concat */ 
    (ssizeargfunc)list_repeat,                  /* sq_repeat */ 
    (ssizeargfunc)list_item,                    /* sq_item */ 
    (ssizessizeargfunc)list_slice,              /* sq_slice */ 
    (ssizeobjargproc)list_ass_item,             /* sq_ass_item */ 
    (ssizessizeobjargproc)list_ass_slice,       /* sq_ass_slice */ 
    (objobjproc)list_contains,                  /* sq_contains */ 
    (binaryfunc)list_inplace_concat,            /* sq_inplace_concat */ 
    (ssizeargfunc)list_inplace_repeat,          /* sq_inplace_repeat */ 
};  

接下來就是一個判斷, 判斷咱們這個 l 對象是否有 Py_TPFLAGS_HAVE_INPLACEOPS 這個特性, 很明顯是有的, 所以就調用上步取到的結構體中的 sq_inplace_concat 函數, 那接下來呢? 肯定就是看看這個函數是干嘛的:

list_inplace_concat(PyListObject *self, PyObject *other) 
{ 
    PyObject *result; 
 
    result = listextend(self, other);    # 關鍵所在 
    if (result == NULL) 
        return result; 
    Py_DECREF(result); 
    Py_INCREF(self); 
    return (PyObject *)self; 
}  

終于找到關鍵了, 原來最后就是調用這個 listextend 函數, 這個和我們 python 層面的列表的extend方法 很類似, 在這不細講了!

把 PyNumber_InPlaceAdd 的執(zhí)行調用過程, 簡單整理下來就是:

INPLACE_ADD(字節(jié)碼) 
    -> PyNumber_InPlaceAdd 
        -> 判斷是否數字: 如果是, 直接返回兩數相加 
        -> 判斷是否字符串: 如果是, 直接返回`string_concatenate`的結果 
        -> 都不是: 
            -> binary_iop1 (判斷是否數字, 如果是則按照數字處理, 否則返回Py_NotImplemented) 
                -> binary_iop (判斷是否數字, 如果是則按照數字處理, 否則返回Py_NotImplemented) 
            -> 返回的結果是否 Py_NotImplemented: 
                -> 是:  
                    -> 對象是否有Py_TPFLAGS_HAVE_INPLACEOPS: 
                        -> 是: 調用對象的: sq_inplace_concat 
                        -> 否: 調用對象的: sq_concat 
                -> 否: 報錯 

所以在上面的結果, 第二種代碼: l += [3,4,5] , 我們看到的 id 值并沒有改變, 就是因為 +=通過 sq_inplace_concat  調用了列表的 listextend 函數, 然后導致新列表以追加的方式去處理.

結論

現在我們大概明白了 += 實際上是干嘛了: 它應該能算是一個加強版的 + , 因為它比 + 多了一個寫回本身的功能.不過是否能夠寫回本身, 還是得看對象自身是否支持, 也就是說是否具備 Py_NotImplemented 標識, 是否支持 sq_inplace_concat , 如果具備, 才能實現, 否則, 也就是和 + 效果一樣而已.