2. Definición de tipos de extensión: Tutorial

Python le permite al escritor de un módulo de extensión C definir nuevos tipos que pueden ser manipulados desde el código Python, al igual que los tipos incorporados str y list. El código para todos los tipos de extensión sigue un patrón, pero hay algunos detalles que debe comprender antes de comenzar. Este documento es una introducción suave al tema.

2.1. Lo básico

The CPython runtime sees all Python objects as variables of type PyObject*, which serves as a «base type» for all Python objects. The PyObject structure itself only contains the object’s reference count and a pointer to the object’s «type object». This is where the action is; the type object determines which (C) functions get called by the interpreter when, for instance, an attribute gets looked up on an object, a method called, or it is multiplied by another object. These C functions are called «type methods».

Por lo tanto, si desea definir un nuevo tipo de extensión, debe crear un nuevo objeto de tipo.

This sort of thing can only be explained by example, so here’s a minimal, but complete, module that defines a new type named Custom inside a C extension module custom:

Nota

Lo que estamos mostrando aquí es la forma tradicional de definir tipos de extensión estáticos. Debe ser adecuado para la mayoría de los usos. La API de C también permite definir tipos de extensiones asignadas en el montón utilizando la función PyType_FromSpec(), que no se trata en este tutorial.

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#include <Python.h>

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    /* Type-specific fields go here. */
} CustomObject;

static PyTypeObject CustomType = {
    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "custom.Custom",
    .tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
    .tp_new = PyType_GenericNew,
};

static PyModuleDef custommodule = {
    .m_base = PyModuleDef_HEAD_INIT,
    .m_name = "custom",
    .m_doc = "Example module that creates an extension type.",
    .m_size = -1,
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_custom(void)
{
    PyObject *m;
    if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&custommodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    Py_INCREF(&CustomType);
    if (PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(&CustomType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Ahora, eso es bastante para asimilar a la vez, pero espero que los fragmentos le resulten familiares del capítulo anterior. Este archivo define tres cosas:

1. What a Custom object contains: this is the CustomObject struct, which is allocated once for each Custom instance.

2. How the Custom type behaves: this is the CustomType struct, which defines a set of flags and function pointers that the interpreter inspects when specific operations are requested.

3. How to initialize the custom module: this is the PyInit_custom function and the associated custommodule struct.

La primera parte es:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
} CustomObject;

This is what a Custom object will contain. PyObject_HEAD is mandatory at the start of each object struct and defines a field called ob_base of type PyObject, containing a pointer to a type object and a reference count (these can be accessed using the macros Py_TYPE and Py_REFCNT respectively). The reason for the macro is to abstract away the layout and to enable additional fields in debug builds.

Nota

No hay punto y coma (;) arriba después de la macro PyObject_HEAD. Tenga cuidado de agregar uno por accidente: algunos compiladores se quejarán.

Por supuesto, los objetos generalmente almacenan datos adicionales además del estándar PyObject_HEAD repetitivo; por ejemplo, aquí está la definición de puntos flotantes del estándar de Python:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

La segunda parte es la definición del tipo de objeto.

static PyTypeObject CustomType = {
    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "custom.Custom",
    .tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
    .tp_new = PyType_GenericNew,
};

Nota

Recomendamos utilizar los inicializadores designados al estilo C99 como se indica arriba, para evitar enumerar todos los campos PyTypeObject que no le interesan y también para evitar preocuparse por el orden de declaración de los campos.

La definición real de PyTypeObject en object.h tiene muchos más campos que la definición anterior. El compilador de C rellenará los campos restantes con ceros, y es una práctica común no especificarlos explícitamente a menos que los necesite.

Lo vamos a separar, un campo a la vez:

.ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)

Esta línea es obligatoria para inicializar el campo ob_base mencionado anteriormente.

.tp_name = "custom.Custom",

El nombre de nuestro tipo. Esto aparecerá en la representación textual predeterminada de nuestros objetos y en algunos mensajes de error, por ejemplo:

>>> "" + custom.Custom()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can only concatenate str (not "custom.Custom") to str

Note that the name is a dotted name that includes both the module name and the name of the type within the module. The module in this case is custom and the type is Custom, so we set the type name to custom.Custom. Using the real dotted import path is important to make your type compatible with the pydoc and pickle modules.

.tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
.tp_itemsize = 0,

This is so that Python knows how much memory to allocate when creating new Custom instances. tp_itemsize is only used for variable-sized objects and should otherwise be zero.

Nota

If you want your type to be subclassable from Python, and your type has the same tp_basicsize as its base type, you may have problems with multiple inheritance. A Python subclass of your type will have to list your type first in its __bases__, or else it will not be able to call your type’s __new__() method without getting an error. You can avoid this problem by ensuring that your type has a larger value for tp_basicsize than its base type does. Most of the time, this will be true anyway, because either your base type will be object, or else you will be adding data members to your base type, and therefore increasing its size.

We set the class flags to Py_TPFLAGS_DEFAULT.

.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,

Todos los tipos deben incluir esta constante en sus banderas. Habilita todos los miembros definidos hasta al menos Python 3.3. Si necesita más miembros, necesitará O (OR) las banderas correspondientes.

Proporcionamos una cadena de documentos para el tipo en tp_doc.

.tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),

To enable object creation, we have to provide a tp_new handler. This is the equivalent of the Python method __new__(), but has to be specified explicitly. In this case, we can just use the default implementation provided by the API function PyType_GenericNew().

.tp_new = PyType_GenericNew,

Everything else in the file should be familiar, except for some code in PyInit_custom():

if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
    return;

This initializes the Custom type, filling in a number of members to the appropriate default values, including ob_type that we initially set to NULL.

Py_INCREF(&CustomType);
if (PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
    Py_DECREF(&CustomType);
    Py_DECREF(m);
    return NULL;
}

This adds the type to the module dictionary. This allows us to create Custom instances by calling the Custom class:

>>> import custom
>>> mycustom = custom.Custom()

That’s it! All that remains is to build it; put the above code in a file called custom.c,

[build-system]
requires = ["setuptools"]
build-backend = "setuptools.build_meta"

[project]
name = "custom"
version = "1"

in a file called pyproject.toml, and

from setuptools import Extension, setup
setup(ext_modules=[Extension("custom", ["custom.c"])])

en un archivo llamado setup.py; luego escribiendo

$ python -m pip install .

in a shell should produce a file custom.so in a subdirectory and install it; now fire up Python — you should be able to import custom and play around with Custom objects.

Eso no fue tan difícil, ¿verdad?

Por supuesto, el tipo personalizado actual es bastante poco interesante. No tiene datos y no hace nada. Ni siquiera se puede subclasificar.

2.2. Agregar datos y métodos al ejemplo básico

Let’s extend the basic example to add some data and methods. Let’s also make the type usable as a base class. We’ll create a new module, custom2 that adds these capabilities:

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#include <Python.h>
#include <stddef.h> /* for offsetof() */

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *first; /* first name */
    PyObject *last;  /* last name */
    int number;
} CustomObject;

static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
    Py_XDECREF(self->first);
    Py_XDECREF(self->last);
    Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}

static PyObject *
Custom_new(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    CustomObject *self;
    self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);
    if (self != NULL) {
        self->first = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

static int
Custom_init(CustomObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    static char *kwlist[] = {"first", "last", "number", NULL};
    PyObject *first = NULL, *last = NULL;

    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|OOi", kwlist,
                                     &first, &last,
                                     &self->number))
        return -1;

    if (first) {
        Py_XSETREF(self->first, Py_NewRef(first));
    }
    if (last) {
        Py_XSETREF(self->last, Py_NewRef(last));
    }
    return 0;
}

static PyMemberDef Custom_members[] = {
    {"first", Py_T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, first), 0,
     "first name"},
    {"last", Py_T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, last), 0,
     "last name"},
    {"number", Py_T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
     "custom number"},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyObject *
Custom_name(CustomObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
    if (self->first == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_AttributeError, "first");
        return NULL;
    }
    if (self->last == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_AttributeError, "last");
        return NULL;
    }
    return PyUnicode_FromFormat("%S %S", self->first, self->last);
}

static PyMethodDef Custom_methods[] = {
    {"name", (PyCFunction) Custom_name, METH_NOARGS,
     "Return the name, combining the first and last name"
    },
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyTypeObject CustomType = {
    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "custom2.Custom",
    .tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE,
    .tp_new = Custom_new,
    .tp_init = (initproc) Custom_init,
    .tp_dealloc = (destructor) Custom_dealloc,
    .tp_members = Custom_members,
    .tp_methods = Custom_methods,
};

static PyModuleDef custommodule = {
    .m_base =PyModuleDef_HEAD_INIT,
    .m_name = "custom2",
    .m_doc = "Example module that creates an extension type.",
    .m_size = -1,
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_custom2(void)
{
    PyObject *m;
    if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&custommodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    if (PyModule_AddObjectRef(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Esta versión del módulo tiene una serie de cambios.

The Custom type now has three data attributes in its C struct, first, last, and number. The first and last variables are Python strings containing first and last names. The number attribute is a C integer.

La estructura del objeto se actualiza en consecuencia:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *first; /* first name */
    PyObject *last;  /* last name */
    int number;
} CustomObject;

Debido a que ahora tenemos datos para administrar, debemos ser más cuidadosos con la asignación de objetos y la desasignación. Como mínimo, necesitamos un método de desasignación:

static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
    Py_XDECREF(self->first);
    Py_XDECREF(self->last);
    Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}

que se asigna al miembro tp_dealloc:

.tp_dealloc = (destructor) Custom_dealloc,

This method first clears the reference counts of the two Python attributes. Py_XDECREF() correctly handles the case where its argument is NULL (which might happen here if tp_new failed midway). It then calls the tp_free member of the object’s type (computed by Py_TYPE(self)) to free the object’s memory. Note that the object’s type might not be CustomType, because the object may be an instance of a subclass.

Nota

La conversión explícita a destructor anterior es necesaria porque definimos Custom_dealloc para tomar un argumento CustomObject *, pero el puntero de función tp_dealloc espera recibir un argumento PyObject *. De lo contrario, el compilador emitirá una advertencia. Este es un polimorfismo orientado a objetos, en C!

Queremos asegurarnos de que el nombre y el apellido se inicialicen en cadenas de caracteres vacías, por lo que proporcionamos una implementación tp_new:

static PyObject *
Custom_new(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    CustomObject *self;
    self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);
    if (self != NULL) {
        self->first = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

e instalarlo en el miembro tp_new:

.tp_new = Custom_new,

The tp_new handler is responsible for creating (as opposed to initializing) objects of the type. It is exposed in Python as the __new__() method. It is not required to define a tp_new member, and indeed many extension types will simply reuse PyType_GenericNew() as done in the first version of the Custom type above. In this case, we use the tp_new handler to initialize the first and last attributes to non-NULL default values.

tp_new se pasa el tipo que se instancia (no necesariamente CustomType, si se instancia una subclase) y cualquier argumento pasado cuando se llamó al tipo, y se espera que retorna la instancia creada. Los manejadores tp_new siempre aceptan argumentos posicionales y de palabras clave, pero a menudo ignoran los argumentos, dejando el manejo de argumentos al inicializador (también conocido como, tp_init en C o __init__ en Python).

Nota

tp_new no debería llamar explícitamente a tp_init, ya que el intérprete lo hará por sí mismo.

La implementación tp_new llama al tp_alloc para asignar memoria:

self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);

Como la asignación de memoria puede fallar, debemos verificar el resultado tp_alloc contra NULL antes de continuar.

Nota

No llenamos la ranura tp_alloc nosotros mismos. Más bien PyType_Ready() lo llena para nosotros al heredarlo de nuestra clase base, que es object por defecto. La mayoría de los tipos utilizan la estrategia de asignación predeterminada.

Nota

If you are creating a co-operative tp_new (one that calls a base type’s tp_new or __new__()), you must not try to determine what method to call using method resolution order at runtime. Always statically determine what type you are going to call, and call its tp_new directly, or via type->tp_base->tp_new. If you do not do this, Python subclasses of your type that also inherit from other Python-defined classes may not work correctly. (Specifically, you may not be able to create instances of such subclasses without getting a TypeError.)

También definimos una función de inicialización que acepta argumentos para proporcionar valores iniciales para nuestra instancia:

static int
Custom_init(CustomObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    static char *kwlist[] = {"first", "last", "number", NULL};
    PyObject *first = NULL, *last = NULL, *tmp;

    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|OOi", kwlist,
                                     &first, &last,
                                     &self->number))
        return -1;

    if (first) {
        tmp = self->first;
        Py_INCREF(first);
        self->first = first;
        Py_XDECREF(tmp);
    }
    if (last) {
        tmp = self->last;
        Py_INCREF(last);
        self->last = last;
        Py_XDECREF(tmp);
    }
    return 0;
}

rellenando la ranura tp_init.

.tp_init = (initproc) Custom_init,

The tp_init slot is exposed in Python as the __init__() method. It is used to initialize an object after it’s created. Initializers always accept positional and keyword arguments, and they should return either 0 on success or -1 on error.

Unlike the tp_new handler, there is no guarantee that tp_init is called at all (for example, the pickle module by default doesn’t call __init__() on unpickled instances). It can also be called multiple times. Anyone can call the __init__() method on our objects. For this reason, we have to be extra careful when assigning the new attribute values. We might be tempted, for example to assign the first member like this:

if (first) {
    Py_XDECREF(self->first);
    Py_INCREF(first);
    self->first = first;
}

Pero esto sería arriesgado. Nuestro tipo no restringe el tipo del primer miembro, por lo que podría ser cualquier tipo de objeto. Podría tener un destructor que haga que se ejecute código que intente acceder al primer miembro; o ese destructor podría liberar el Global Interpreter Lock y permite que se ejecute código arbitrario en otros hilos que acceden y modifican nuestro objeto.

Para ser paranoicos y protegernos de esta posibilidad, casi siempre reasignamos miembros antes de disminuir sus recuentos de referencias. ¿Cuándo no tenemos que hacer esto?

• cuando sabemos absolutamente que el recuento de referencia es mayor que 1;

• cuando sabemos que la desasignación del objeto [1] no liberará el GIL ni causará ninguna llamada al código de nuestro tipo;

• al disminuir un recuento de referencias en un manejador tp_dealloc en un tipo que no admite la recolección de basura cíclica [2].

Queremos exponer nuestras variables de instancia como atributos. Hay varias formas de hacerlo. La forma más simple es definir definiciones de miembros:

static PyMemberDef Custom_members[] = {
    {"first", Py_T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, first), 0,
     "first name"},
    {"last", Py_T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, last), 0,
     "last name"},
    {"number", Py_T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
     "custom number"},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

y poner las definiciones en la ranura tp_members:

.tp_members = Custom_members,

Cada definición de miembro tiene un nombre de miembro, tipo, desplazamiento, banderas de acceso y cadena de caracteres de documentación. Consulte la sección Gestión de atributos genéricos a continuación para obtener más detalles.

Una desventaja de este enfoque es que no proporciona una forma de restringir los tipos de objetos que se pueden asignar a los atributos de Python. Esperamos que el nombre y el apellido sean cadenas, pero se pueden asignar objetos de Python. Además, los atributos se pueden eliminar, configurando los punteros C en NULL. Si bien podemos asegurarnos de que los miembros se inicialicen en valores que no sean NULL, los miembros se pueden establecer en NULL si se eliminan los atributos.

We define a single method, Custom.name(), that outputs the objects name as the concatenation of the first and last names.

static PyObject *
Custom_name(CustomObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
    if (self->first == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_AttributeError, "first");
        return NULL;
    }
    if (self->last == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_AttributeError, "last");
        return NULL;
    }
    return PyUnicode_FromFormat("%S %S", self->first, self->last);
}

The method is implemented as a C function that takes a Custom (or Custom subclass) instance as the first argument. Methods always take an instance as the first argument. Methods often take positional and keyword arguments as well, but in this case we don’t take any and don’t need to accept a positional argument tuple or keyword argument dictionary. This method is equivalent to the Python method:

def name(self):
    return "%s %s" % (self.first, self.last)

Note that we have to check for the possibility that our first and last members are NULL. This is because they can be deleted, in which case they are set to NULL. It would be better to prevent deletion of these attributes and to restrict the attribute values to be strings. We’ll see how to do that in the next section.

Ahora que hemos definido el método, necesitamos crear un arreglo de definiciones de métodos:

static PyMethodDef Custom_methods[] = {
    {"name", (PyCFunction) Custom_name, METH_NOARGS,
     "Return the name, combining the first and last name"
    },
    {NULL}  /* Sentinel */
};

(note that we used the METH_NOARGS flag to indicate that the method is expecting no arguments other than self)

y asignarlo a la ranura tp_methods:

.tp_methods = Custom_methods,

Finally, we’ll make our type usable as a base class for subclassing. We’ve written our methods carefully so far so that they don’t make any assumptions about the type of the object being created or used, so all we need to do is to add the Py_TPFLAGS_BASETYPE to our class flag definition:

.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE,

We rename PyInit_custom() to PyInit_custom2(), update the module name in the PyModuleDef struct, and update the full class name in the PyTypeObject struct.

Finally, we update our setup.py file to include the new module,

from setuptools import Extension, setup
setup(ext_modules=[
    Extension("custom", ["custom.c"]),
    Extension("custom2", ["custom2.c"]),
])

and then we re-install so that we can import custom2:

$ python -m pip install .

2.3. Proporcionar un control más preciso sobre los atributos de datos

In this section, we’ll provide finer control over how the first and last attributes are set in the Custom example. In the previous version of our module, the instance variables first and last could be set to non-string values or even deleted. We want to make sure that these attributes always contain strings.

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#include <Python.h>
#include <stddef.h> /* for offsetof() */

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *first; /* first name */
    PyObject *last;  /* last name */
    int number;
} CustomObject;

static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
    Py_XDECREF(self->first);
    Py_XDECREF(self->last);
    Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}

static PyObject *
Custom_new(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    CustomObject *self;
    self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);
    if (self != NULL) {
        self->first = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

static int
Custom_init(CustomObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    static char *kwlist[] = {"first", "last", "number", NULL};
    PyObject *first = NULL, *last = NULL;

    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|UUi", kwlist,
                                     &first, &last,
                                     &self->number))
        return -1;

    if (first) {
        Py_SETREF(self->first, Py_NewRef(first));
    }
    if (last) {
        Py_SETREF(self->last, Py_NewRef(last));
    }
    return 0;
}

static PyMemberDef Custom_members[] = {
    {"number", Py_T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
     "custom number"},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyObject *
Custom_getfirst(CustomObject *self, void *closure)
{
    return Py_NewRef(self->first);
}

static int
Custom_setfirst(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
    if (value == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Cannot delete the first attribute");
        return -1;
    }
    if (!PyUnicode_Check(value)) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
                        "The first attribute value must be a string");
        return -1;
    }
    Py_SETREF(self->first, Py_NewRef(value));
    return 0;
}

static PyObject *
Custom_getlast(CustomObject *self, void *closure)
{
    return Py_NewRef(self->last);
}

static int
Custom_setlast(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
    if (value == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Cannot delete the last attribute");
        return -1;
    }
    if (!PyUnicode_Check(value)) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
                        "The last attribute value must be a string");
        return -1;
    }
    Py_SETREF(self->last, Py_NewRef(value));
    return 0;
}

static PyGetSetDef Custom_getsetters[] = {
    {"first", (getter) Custom_getfirst, (setter) Custom_setfirst,
     "first name", NULL},
    {"last", (getter) Custom_getlast, (setter) Custom_setlast,
     "last name", NULL},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyObject *
Custom_name(CustomObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
    return PyUnicode_FromFormat("%S %S", self->first, self->last);
}

static PyMethodDef Custom_methods[] = {
    {"name", (PyCFunction) Custom_name, METH_NOARGS,
     "Return the name, combining the first and last name"
    },
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyTypeObject CustomType = {
    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "custom3.Custom",
    .tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE,
    .tp_new = Custom_new,
    .tp_init = (initproc) Custom_init,
    .tp_dealloc = (destructor) Custom_dealloc,
    .tp_members = Custom_members,
    .tp_methods = Custom_methods,
    .tp_getset = Custom_getsetters,
};

static PyModuleDef custommodule = {
    .m_base = PyModuleDef_HEAD_INIT,
    .m_name = "custom3",
    .m_doc = "Example module that creates an extension type.",
    .m_size = -1,
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_custom3(void)
{
    PyObject *m;
    if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&custommodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    if (PyModule_AddObjectRef(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

To provide greater control, over the first and last attributes, we’ll use custom getter and setter functions. Here are the functions for getting and setting the first attribute:

static PyObject *
Custom_getfirst(CustomObject *self, void *closure)
{
    Py_INCREF(self->first);
    return self->first;
}

static int
Custom_setfirst(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
    PyObject *tmp;
    if (value == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Cannot delete the first attribute");
        return -1;
    }
    if (!PyUnicode_Check(value)) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
                        "The first attribute value must be a string");
        return -1;
    }
    tmp = self->first;
    Py_INCREF(value);
    self->first = value;
    Py_DECREF(tmp);
    return 0;
}

The getter function is passed a Custom object and a «closure», which is a void pointer. In this case, the closure is ignored. (The closure supports an advanced usage in which definition data is passed to the getter and setter. This could, for example, be used to allow a single set of getter and setter functions that decide the attribute to get or set based on data in the closure.)

The setter function is passed the Custom object, the new value, and the closure. The new value may be NULL, in which case the attribute is being deleted. In our setter, we raise an error if the attribute is deleted or if its new value is not a string.

Creamos un arreglo de estructuras PyGetSetDef:

static PyGetSetDef Custom_getsetters[] = {
    {"first", (getter) Custom_getfirst, (setter) Custom_setfirst,
     "first name", NULL},
    {"last", (getter) Custom_getlast, (setter) Custom_setlast,
     "last name", NULL},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

y lo registra en la ranura tp_getset:

.tp_getset = Custom_getsetters,

El último elemento en la estructura PyGetSetDef es el «cierre» (closure) mencionado anteriormente. En este caso, no estamos usando un cierre, por lo que simplemente pasamos NULL.

También eliminamos las definiciones de miembro para estos atributos:

static PyMemberDef Custom_members[] = {
    {"number", Py_T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
     "custom number"},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

También necesitamos actualizar el manejador tp_init para permitir que solo se pasen las cadenas [3]:

static int
Custom_init(CustomObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    static char *kwlist[] = {"first", "last", "number", NULL};
    PyObject *first = NULL, *last = NULL, *tmp;

    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|UUi", kwlist,
                                     &first, &last,
                                     &self->number))
        return -1;

    if (first) {
        tmp = self->first;
        Py_INCREF(first);
        self->first = first;
        Py_DECREF(tmp);
    }
    if (last) {
        tmp = self->last;
        Py_INCREF(last);
        self->last = last;
        Py_DECREF(tmp);
    }
    return 0;
}

Con estos cambios, podemos asegurar que los miembros primero y último nunca sean NULL, por lo que podemos eliminar las comprobaciones de los valores NULL en casi todos los casos. Esto significa que la mayoría de las llamadas Py_XDECREF() se pueden convertir en llamadas Py_DECREF(). El único lugar donde no podemos cambiar estas llamadas es en la implementación tp_dealloc, donde existe la posibilidad de que la inicialización de estos miembros falle en tp_new.

También cambiamos el nombre de la función de inicialización del módulo y el nombre del módulo en la función de inicialización, como lo hicimos antes, y agregamos una definición adicional al archivo setup.py.

2.4. Apoyo a la recolección de basura cíclica

Python tiene un recolector de basura cíclico (GC) que puede identificar objetos innecesarios incluso cuando sus recuentos de referencia no son cero. Esto puede suceder cuando los objetos están involucrados en ciclos. Por ejemplo, considere:

>>> l = []
>>> l.append(l)
>>> del l

En este ejemplo, creamos una lista que se contiene a sí misma. Cuando lo eliminamos, todavía tiene una referencia de sí mismo. Su recuento de referencia no cae a cero. Afortunadamente, el recolector cíclico de basura de Python finalmente descubrirá que la lista es basura y la liberará.

In the second version of the Custom example, we allowed any kind of object to be stored in the first or last attributes [4]. Besides, in the second and third versions, we allowed subclassing Custom, and subclasses may add arbitrary attributes. For any of those two reasons, Custom objects can participate in cycles:

>>> import custom3
>>> class Derived(custom3.Custom): pass
...
>>> n = Derived()
>>> n.some_attribute = n

To allow a Custom instance participating in a reference cycle to be properly detected and collected by the cyclic GC, our Custom type needs to fill two additional slots and to enable a flag that enables these slots:

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#include <Python.h>
#include <stddef.h> /* for offsetof() */

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *first; /* first name */
    PyObject *last;  /* last name */
    int number;
} CustomObject;

static int
Custom_traverse(CustomObject *self, visitproc visit, void *arg)
{
    Py_VISIT(self->first);
    Py_VISIT(self->last);
    return 0;
}

static int
Custom_clear(CustomObject *self)
{
    Py_CLEAR(self->first);
    Py_CLEAR(self->last);
    return 0;
}

static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
    PyObject_GC_UnTrack(self);
    Custom_clear(self);
    Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}

static PyObject *
Custom_new(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    CustomObject *self;
    self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);
    if (self != NULL) {
        self->first = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

static int
Custom_init(CustomObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    static char *kwlist[] = {"first", "last", "number", NULL};
    PyObject *first = NULL, *last = NULL;

    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "|UUi", kwlist,
                                     &first, &last,
                                     &self->number))
        return -1;

    if (first) {
        Py_SETREF(self->first, Py_NewRef(first));
    }
    if (last) {
        Py_SETREF(self->last, Py_NewRef(last));
    }
    return 0;
}

static PyMemberDef Custom_members[] = {
    {"number", Py_T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
     "custom number"},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyObject *
Custom_getfirst(CustomObject *self, void *closure)
{
    return Py_NewRef(self->first);
}

static int
Custom_setfirst(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
    if (value == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Cannot delete the first attribute");
        return -1;
    }
    if (!PyUnicode_Check(value)) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
                        "The first attribute value must be a string");
        return -1;
    }
    Py_XSETREF(self->first, Py_NewRef(value));
    return 0;
}

static PyObject *
Custom_getlast(CustomObject *self, void *closure)
{
    return Py_NewRef(self->last);
}

static int
Custom_setlast(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
    if (value == NULL) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Cannot delete the last attribute");
        return -1;
    }
    if (!PyUnicode_Check(value)) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
                        "The last attribute value must be a string");
        return -1;
    }
    Py_XSETREF(self->last, Py_NewRef(value));
    return 0;
}

static PyGetSetDef Custom_getsetters[] = {
    {"first", (getter) Custom_getfirst, (setter) Custom_setfirst,
     "first name", NULL},
    {"last", (getter) Custom_getlast, (setter) Custom_setlast,
     "last name", NULL},
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyObject *
Custom_name(CustomObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
    return PyUnicode_FromFormat("%S %S", self->first, self->last);
}

static PyMethodDef Custom_methods[] = {
    {"name", (PyCFunction) Custom_name, METH_NOARGS,
     "Return the name, combining the first and last name"
    },
    {NULL}  /* Sentinel */
};

static PyTypeObject CustomType = {
    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "custom4.Custom",
    .tp_doc = PyDoc_STR("Custom objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE | Py_TPFLAGS_HAVE_GC,
    .tp_new = Custom_new,
    .tp_init = (initproc) Custom_init,
    .tp_dealloc = (destructor) Custom_dealloc,
    .tp_traverse = (traverseproc) Custom_traverse,
    .tp_clear = (inquiry) Custom_clear,
    .tp_members = Custom_members,
    .tp_methods = Custom_methods,
    .tp_getset = Custom_getsetters,
};

static PyModuleDef custommodule = {
    .m_base = PyModuleDef_HEAD_INIT,
    .m_name = "custom4",
    .m_doc = "Example module that creates an extension type.",
    .m_size = -1,
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_custom4(void)
{
    PyObject *m;
    if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&custommodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    if (PyModule_AddObjectRef(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Primero, el método transversal permite que el GC cíclico conozca los subobjetos que podrían participar en los ciclos:

static int
Custom_traverse(CustomObject *self, visitproc visit, void *arg)
{
    int vret;
    if (self->first) {
        vret = visit(self->first, arg);
        if (vret != 0)
            return vret;
    }
    if (self->last) {
        vret = visit(self->last, arg);
        if (vret != 0)
            return vret;
    }
    return 0;
}

For each subobject that can participate in cycles, we need to call the visit() function, which is passed to the traversal method. The visit() function takes as arguments the subobject and the extra argument arg passed to the traversal method. It returns an integer value that must be returned if it is non-zero.

Python proporciona una macro Py_VISIT() que automatiza las funciones de visita de llamada. Con Py_VISIT(), podemos minimizar la cantidad de repeticiones en Custom_traverse:

static int
Custom_traverse(CustomObject *self, visitproc visit, void *arg)
{
    Py_VISIT(self->first);
    Py_VISIT(self->last);
    return 0;
}

Nota

La implementación tp_traverse debe nombrar sus argumentos exactamente visit y arg para usar Py_VISIT().

En segundo lugar, debemos proporcionar un método para borrar cualquier subobjeto que pueda participar en los ciclos:

static int
Custom_clear(CustomObject *self)
{
    Py_CLEAR(self->first);
    Py_CLEAR(self->last);
    return 0;
}

Observe el uso de la macro Py_CLEAR(). Es la forma recomendada y segura de borrar los atributos de datos de tipos arbitrarios al tiempo que disminuye sus recuentos de referencia. Si tuviera que llamar a Py_XDECREF() en lugar del atributo antes de establecerlo en NULL, existe la posibilidad de que el destructor del atributo vuelva a llamar al código que lee el atributo nuevamente (especialmente si hay un ciclo de referencia).

Nota

Puede emular Py_CLEAR() escribiendo:

PyObject *tmp;
tmp = self->first;
self->first = NULL;
Py_XDECREF(tmp);

Sin embargo, es mucho más fácil y menos propenso a errores usar siempre Py_CLEAR() al eliminar un atributo. ¡No intentes micro-optimizar a expensas de la robustez!

El desasignador Custom_dealloc puede llamar a un código arbitrario al borrar los atributos. Significa que el GC circular se puede activar dentro de la función. Dado que el GC asume que el recuento de referencias no es cero, debemos destrabar el objeto del GC llamando a PyObject_GC_UnTrack() antes de borrar los miembros. Aquí está nuestro reubicador reimplementado usando PyObject_GC_UnTrack() y Custom_clear:

static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
    PyObject_GC_UnTrack(self);
    Custom_clear(self);
    Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}

Finally, we add the Py_TPFLAGS_HAVE_GC flag to the class flags:

.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE | Py_TPFLAGS_HAVE_GC,

Eso es prácticamente todo. Si hubiéramos escrito controladores personalizados tp_alloc o tp_free, tendríamos que modificarlos para la recolección de basura cíclica. La mayoría de las extensiones usarán las versiones proporcionadas automáticamente.

2.5. Subclases de otros tipos

Es posible crear nuevos tipos de extensión que se derivan de los tipos existentes. Es más fácil heredar de los tipos incorporados, ya que una extensión puede usar fácilmente PyTypeObject que necesita. Puede ser difícil compartir estas estructuras PyTypeObject entre módulos de extensión.

In this example we will create a SubList type that inherits from the built-in list type. The new type will be completely compatible with regular lists, but will have an additional increment() method that increases an internal counter:

>>> import sublist
>>> s = sublist.SubList(range(3))
>>> s.extend(s)
>>> print(len(s))
6
>>> print(s.increment())
1
>>> print(s.increment())
2

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#include <Python.h>

typedef struct {
    PyListObject list;
    int state;
} SubListObject;

static PyObject *
SubList_increment(SubListObject *self, PyObject *unused)
{
    self->state++;
    return PyLong_FromLong(self->state);
}

static PyMethodDef SubList_methods[] = {
    {"increment", (PyCFunction) SubList_increment, METH_NOARGS,
     PyDoc_STR("increment state counter")},
    {NULL},
};

static int
SubList_init(SubListObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    if (PyList_Type.tp_init((PyObject *) self, args, kwds) < 0)
        return -1;
    self->state = 0;
    return 0;
}

static PyTypeObject SubListType = {
    PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
    .tp_name = "sublist.SubList",
    .tp_doc = PyDoc_STR("SubList objects"),
    .tp_basicsize = sizeof(SubListObject),
    .tp_itemsize = 0,
    .tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE,
    .tp_init = (initproc) SubList_init,
    .tp_methods = SubList_methods,
};

static PyModuleDef sublistmodule = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    .m_name = "sublist",
    .m_doc = "Example module that creates an extension type.",
    .m_size = -1,
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_sublist(void)
{
    PyObject *m;
    SubListType.tp_base = &PyList_Type;
    if (PyType_Ready(&SubListType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&sublistmodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    Py_INCREF(&SubListType);
    if (PyModule_AddObject(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType) < 0) {
        Py_DECREF(&SubListType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

As you can see, the source code closely resembles the Custom examples in previous sections. We will break down the main differences between them.

typedef struct {
    PyListObject list;
    int state;
} SubListObject;

La diferencia principal para los objetos de tipo derivado es que la estructura de objeto del tipo base debe ser el primer valor. El tipo base ya incluirá PyObject_HEAD() al comienzo de su estructura.

When a Python object is a SubList instance, its PyObject * pointer can be safely cast to both PyListObject * and SubListObject *:

static int
SubList_init(SubListObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    if (PyList_Type.tp_init((PyObject *) self, args, kwds) < 0)
        return -1;
    self->state = 0;
    return 0;
}

We see above how to call through to the __init__() method of the base type.

Este patrón es importante cuando se escribe un tipo con miembros personalizados tp_new y tp_dealloc. El manejador tp_new no debería crear realmente la memoria para el objeto con su tp_alloc, pero deja que la clase base lo maneje llamando a su propio tp_new.

La estructura PyTypeObject admite a tp_base especificando la clase base concreta del tipo. Debido a problemas de compilación multiplataforma, no puede llenar ese campo directamente con una referencia a PyList_Type; debe hacerse más tarde en la función de inicialización del módulo:

PyMODINIT_FUNC
PyInit_sublist(void)
{
    PyObject* m;
    SubListType.tp_base = &PyList_Type;
    if (PyType_Ready(&SubListType) < 0)
        return NULL;

    m = PyModule_Create(&sublistmodule);
    if (m == NULL)
        return NULL;

    Py_INCREF(&SubListType);
    if (PyModule_AddObject(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType) < 0) {
        Py_DECREF(&SubListType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Antes de llamar a PyType_Ready(), la estructura de tipo debe tener el espacio tp_base rellenado. Cuando derivamos un tipo existente, no es necesario completar el tp_alloc ranura con PyType_GenericNew() – la función de asignación del tipo base será heredada.

After that, calling PyType_Ready() and adding the type object to the module is the same as with the basic Custom examples.

Notas al pie

[1]

Esto es cierto cuando sabemos que el objeto es un tipo básico, como una cadena o un flotador.

[2]

Nos basamos en esto en el manejador tp_dealloc en este ejemplo, porque nuestro tipo no admite la recolección de basura.

[3]

Ahora sabemos que el primer y el último miembro son cadenas de caracteres, por lo que quizás podríamos ser menos cuidadosos al disminuir sus recuentos de referencia, sin embargo, aceptamos instancias de subclases de cadenas. A pesar de que la desasignación de cadenas normales no volverá a llamar a nuestros objetos, no podemos garantizar que la desasignación de una instancia de una subclase de cadena de caracteres no vuelva a llamar a nuestros objetos.

[4]

Además, incluso con nuestros atributos restringidos a instancias de cadenas, el usuario podría pasar subclases arbitrarias str y, por lo tanto, seguir creando ciclos de referencia.