Bound Method和Unbound Method

在Python中,当对作为属性的函数进行引用时,会有两种形式,一种称为Bound Method,这种形式是通过类的实例对象进行属性引用,而另一种则是通过类进行属性引用,称为Unbound Method。当然,对Bound Method和Unbound Method的调用形式是不同的,其原因可以追溯到LOAD_ATTR中

demo2.py

class A(object):
def g(self, value):
self.value = value
print(self.value) a = A()
A.g(a, 10)

  

其对应的字节码指令序列:

>>> source = open("demo2.py").read()
>>> co = compile(source, "demo2.py", "exec")
>>> import dis
>>> dis.dis(co)
1 0 LOAD_CONST 0 ('A')
3 LOAD_NAME 0 (object)
6 BUILD_TUPLE 1
9 LOAD_CONST 1 (<code object A at 0x7f3e67870d50, file "demo2.py", line 1>)
12 MAKE_FUNCTION 0
15 CALL_FUNCTION 0
18 BUILD_CLASS
19 STORE_NAME 1 (A) 7 22 LOAD_NAME 1 (A)
25 CALL_FUNCTION 0
28 STORE_NAME 2 (a) 8 31 LOAD_NAME 1 (A)
34 LOAD_ATTR 3 (g)
37 LOAD_NAME 2 (a)
40 LOAD_CONST 2 (10)
43 CALL_FUNCTION 2
46 POP_TOP
47 LOAD_CONST 3 (None)
50 RETURN_VALUE

  

其中的关键就在于"34   LOAD_ATTR   3 (g)"指令,之前我们已经解释过,这里的LOAD_ATTR指令最终会调用type_getattro。在type_getattro中,会在<class A>的tp_dict中发现"g"对应的PyFunctionObject,同样,因为它是一个descriptor,因此也会调用其__get__函数进行转变。在Python虚拟机类机制之从class对象到instance对象(五)这一章剖析a.f时,我们看到这个转变是通过func_descr_get(A.f, a, A)完成的,这里对"g"的转变则是通过func_descr_get(A.g, NULL, A)完成。因此,虽然A.g也得到一个PyMethodObject,但是其中的im_self确实NULL

在Python中,在对Unbound Method尽心调用时,我们必须显示地提供一个instance对象作为函数的第一个位置参数,因为g无论如何都需要一个self参数。所以才会有A.g(a, 10)这样的形式。而无论是对Unbound Method进行调用,还是对bound Method进行调用,Python虚拟机的动作在本质上都是一样的,都是调用带位置参数的一般函数,区别只在于:当调用Bound Method时,Python虚拟机帮我们完成了PyFunctionObject对象和instance对象的绑定,instance对象将自动成为self参数,而调用Unbound Method时,则没有这个绑定,需要我们自己传入self参数

下面的代码展示出Bound Method和Unbound Method的不同

>>> class A(object):
... def f(self):
... pass
...
>>> a = A()
>>> bound = a.f
>>> unbound = A.f
>>>
>>> bound
<bound method A.f of <__main__.A object at 0x7f3e677c7310>>
>>> unbound
<unbound method A.f>
>>>
>>> bound.im_self
<__main__.A object at 0x7f3e677c7310>
>>> unbound.im_self
>>>

  

在输出Unbound method对象的im_self域时,没有任何东西输出,因为这个域本身就是NULL

对于成员函数的调用,或者说对于成员函数的绑定过程,有一点值的注意的是,每一次函数调用都会激发一次绑定过程。其原因在于,每次进行属性引用时,都会重新获得属性对应的PyFunctionObject(descritpro),进而创建新的PyMethodObject对象,这一点的开销实在是有些大,下面两段代码展示了不同函数调用方式的绑定次数

class A(object):
def f(self):
pass a = A()
# 函数绑定100次
for i in range(100):
a.f()

  

class A(object):
def f(self):
pass a = A()
func = a.f
# 函数绑定1次
for i in range(100):
func()

  

千变万化的descriptor

当我们调用instance对象的函数时,最关键的一个动作就是从PyFunctionObject对象向PyMethodObject对象的转变,而这个关键的转变被Python中descriptor概念很自然地融入到Python的类机制中。当我们访问对象中的属性时,由于descriptor的存在,这种转换自然而然地发生了。将这种descriptor的思想推而广之,其实在访问属性时,我们不光能实现从PyFunctionObject到PyMethodObject对象的转变,实际上我们可以做任何事情。在Python内部,也存在着各式各样的descriptor,这些descriptor的存在给Python的类机制赋予了更多的能力。现在,我们来看看Python是如何使用descriptor实现static method的

demo3.py

class A(object):
def g(value):
print(value) g = staticmethod(g)

  

demo3.py对应字节码指令序列:

>>> source = open("demo3.py").read()
>>> co = compile(source, "demo3.py", "exec")
>>> co.co_consts
('A', <code object A at 0x7f3e677c9198, file "demo3.py", line 1>, None)
>>> A_co = co.co_consts[1]
>>> import dis
>>> dis.dis(A_co)
1 0 LOAD_NAME 0 (__name__)
3 STORE_NAME 1 (__module__) 2 6 LOAD_CONST 0 (<code object g at 0x7f3e677c90a8, file "demo3.py", line 2>)
9 MAKE_FUNCTION 0
12 STORE_NAME 2 (g) 4 15 LOAD_NAME 3 (staticmethod)
18 LOAD_NAME 2 (g)
21 CALL_FUNCTION 1
24 STORE_NAME 2 (g)
27 LOAD_LOCALS
28 RETURN_VALUE

  

在为A创建动态元信息的过程中,Python虚拟机首先会执行一个def语句,将符号"g"和一个PyFunctionObject对象关联起来,但随后的g = staticmethod(g)则会将"g"与一个staticmethod对象关联起来,从而将属性"g"改造为一个static method

Python虚拟机在执行"15   LOAD_NAME   3 (staticmethod)"指令时,会从builtin名字空间中获得一个与符号"staticmethod"对应的对象,这个对象在Python启动并初始化时设置,它其实是一个class对象

>>> staticmethod
<type 'staticmethod'>

  

所以,执行staticmethod(g)的过程就是一个从class对象创建instance对象的过程,最终将调用PyObject_GenericAlloc申请一段内存,内存空间的大小由staticmethod结构体决定:

typedef struct {
PyObject_HEAD
PyObject *sm_callable;
} staticmethod;

  

申请完内存之后,Python虚拟机还会调用__init__进行初始化操作,<type 'staticmethod'>在Python内部对应的是PyStaticMethod_Type,而其中的tp_init设置为sm_init:

static int
sm_init(PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
staticmethod *sm = (staticmethod *)self;
PyObject *callable; if (!PyArg_UnpackTuple(args, "staticmethod", 1, 1, &callable))
return -1;
if (!_PyArg_NoKeywords("staticmethod", kwds))
return -1;
Py_INCREF(callable);
sm->sm_callable = callable;
return 0;
}

  

在初始化时,原来的参数"g"对应的PyFunctionObject被赋给staticmethod对象中的sm_callable。最后,Python虚拟机通过指令"24   STORE_NAME   2 (g)"将符号"g"和这个staticmethod对象关联起来

在仔细考察PyStaticMethod_Type,发现这里创建的staticmethod对象实际上也是个descriptor,因为在PyStaticMethod_Type中,tp_descr_get指向了sm_descr_get

static PyObject * sm_descr_get(PyObject *self, PyObject *obj, PyObject *type)
{
staticmethod *sm = (staticmethod *)self; if (sm->sm_callable == NULL) {
PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError,
"uninitialized staticmethod object");
return NULL;
}
Py_INCREF(sm->sm_callable);
return sm->sm_callable;
}

  

当我们访问属性"g"时,不论是通过instance对象访问a.g,还是通过class对象访问A.g,由于"g"是一个位于class对象<class A>的tp_dict中的descriptor,所以会调用其__get__操作(sm_descr_get),直接了当地返回其中保存的最开始与"g"对应的PyFunctionObject对象

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