2. 拡張の型の定義: チュートリアル¶
Python では、組み込みの str
型や list
型のような Python コードから走査できる新しい型を C 拡張モジュールの作者が定義できます。
全ての拡張の型のコードはあるパターンに従うのですが、書き始める前に理解しておくべき細かいことがあります。
このドキュメントはその話題についてのやさしい入門です。
2.1. 基本的なこと¶
CPython ランタイムは Python の全てのオブジェクトを PyObject*
型の変数と見なします。
PyObject*
は Python の全てのオブジェクトの "基底型 (base type)" となっています。
PyObject
構造体自身は参照カウント (reference count) と、オブジェクトの "型オブジェクト (type object)" へのポインタのみを持ちます。
ここには動作が定義されています; 型オブジェクトは、例えば、ある属性があるオブジェクトから検索されたり、メソッドが呼ばれたり、他のオブジェクトによって操作されたりしたときに、どの (C) 関数がインタプリタから呼ばれるのかを決定します。
これらの C 関数は "タイプメソッド (type method)" と呼ばれます。
それなので、新しい拡張の型を定義したいときは、新しい型オブジェクトを作成すればよいわけです。
この手のことは例を見たほうが早いでしょうから、以下に C 拡張モジュール custom
: にある Custom
という名前の新しい型を定義する、最小限ながら完全なモジュールをあげておきます:
注釈
ここで紹介している例は、 静的な 拡張の型を定義する伝統的な実装方法です。
これはほとんどの場面で十分なものなのです。
C API では、 PyType_FromSpec()
関数を使い、ヒープ上に配置された拡張の型も定義できますが、これについてはこのチュートリアルでは扱いません。
#include <Python.h>
typedef struct {
PyObject_HEAD
/* Type-specific fields go here. */
} CustomObject;
static PyTypeObject CustomType = {
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
.tp_name = "custom.Custom",
.tp_doc = "Custom objects",
.tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
.tp_itemsize = 0,
.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
.tp_new = PyType_GenericNew,
};
static PyModuleDef custommodule = {
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);
PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType);
return m;
}
一度に把握するにはちょっと量が多いですが、前の章よりはとっつきやすくなっていることと重います。このファイルでは、3つの要素が定義されています:
Custom
オブジェクト が何を含んでいるか: これがCustomObject
構造体で、Custom
インスタンスごとに1回だけメモリ確保が行われます。Custom
型 がどのように振る舞うか: これがCustomType
構造体で、フラグと関数ポインタの集まりを定義しています。特定の操作が要求されたときに、この関数ポインタをインタプリタが見に行きます。custom
モジュールをどう初期化するか: これがPyInit_custom
関数とそれに関係するcustommodule
構造体です。
まず最初はこれです:
typedef struct {
PyObject_HEAD
} CustomObject;
これが Custom オブジェクトの内容です。
PyObject_HEAD
はそれぞれのオブジェクト構造体の先頭に必須なもので、 PyObject
型の ob_base
という名前のフィールドを定義します。 PyObject
型には (それぞれ Py_REFCNT
マクロおよび Py_TYPE
マクロからアクセスできる) 型オブジェクトへのポインタと参照カウントが格納されています。
このマクロが用意されている理由は、構造体のレイアウトを抽象化し、デバッグビルドでフィールドを追加できるようにするためです。
注釈
上の例では PyObject_HEAD
マクロの後にセミコロンはありません。
うっかりセミコロンを追加しないように気を付けてください: これを警告するコンパイラもあります。
もちろん、一般的にはオブジェクトは標準的な PyObject_HEAD
ボイラープレートの他にもデータを保持しています; 例えば、これは Python 標準の浮動小数点数の定義です:
typedef struct {
PyObject_HEAD
double ob_fval;
} PyFloatObject;
2つ目は方オブジェクトの定義です。
static PyTypeObject CustomType = {
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
.tp_name = "custom.Custom",
.tp_doc = "Custom objects",
.tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
.tp_itemsize = 0,
.tp_new = PyType_GenericNew,
};
注釈
上にあるように C99 スタイルの指示付き初期化子を使って、 PyTypeObject
の特に関心の無いフィールドまで全て並べたり、フィールドを宣言する順序に気を使ったりせずに済ませるのをお薦めします。
object.h
にある実際の PyTypeObject
の定義には上の定義にあるよりももっと多くの フィールド があります。
ここに出てきていないフィールドは C コンパイラによってゼロで埋められるので、必要でない限り明示的には値の指定をしないのが一般的な作法になっています。
一度に1つずつフィールドを取り上げていきましょう:
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
この行は、上で触れた ob_base
フィールドの初期化に必須のボイラープレートです。
.tp_name = "custom.Custom",
実装している型の名前です。 これは、オブジェクトのデフォルトの文字列表現やエラーメッセージに現れます。例えば次の通りです:
>>> "" + custom.Custom()
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can only concatenate str (not "custom.Custom") to str
型の名前が、モジュール名とモジュールにおける型の名前の両方をドットでつないだ名前になっていることに注意してください。
この場合は、モジュールは custom
で型は Custom
なので、型の名前を custom.Custom
に設定しました。
実際のドット付きのインポートパスを使うのは、 pydoc
モジュールや pickle
モジュールと互換性を持たせるために重要なのです。
.tp_basicsize = sizeof(CustomObject),
.tp_itemsize = 0,
tp_basicsize
は、新しい Custom
インスタンスを作るとき Python が割り当てるべきメモリがどのくらいなのかを知るためのものです。
tp_itemsize
は可変サイズのオブジェクトでのみ使うものなので、サイズが可変でないオブジェクトでは 0 にすべきです。
注釈
あなたのタイプを Python でサブクラス化可能にしたい場合、そのタイプが基底タイプと同じ tp_basicsize
をもっていると多重継承のときに問題が生じることがあります。そのタイプを Python のサブクラスにしたとき、その __bases__
リストにはあなたのタイプが最初にくるようにしなければなりません。さもないとエラーの発生なしにあなたのタイプの __new__()
メソッドを呼び出すことはできなくなります。この問題を回避するには、つねにあなたのタイプの tp_basicsize
をその基底タイプよりも大きくしておくことです。ほとんどの場合、あなたのタイプは object
か、そうでなければ基底タイプにデータ用のメンバを追加したものでしょうから、したがって大きさはつねに増加するためこの条件は満たされています。
Py_TPFLAGS_DEFAULT
にクラスフラグを設定します。
.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT,
すべての型はフラグにこの定数を含めておく必要があります。これは最低でも Python 3.3 までに定義されているすべてのメンバを許可します。それ以上のメンバが必要なら、対応するフラグの OR をとる必要があります。
この型の docstring は tp_doc
に入れます。
.tp_doc = "Custom objects",
オブジェクトが生成できるように、 tp_new
ハンドラを提供する必要があります。
これは Python のメソッド __new__()
と同等のものですが、明示的に与える必要があります。
今の場合では、 API 関数の PyType_GenericNew()
として提供されるデフォルトをそのまま使えます。
.tp_new = PyType_GenericNew,
ファイルの残りの部分はきっと馴染みやすいものだと思いますが、 PyInit_custom()
の一部のコードはそうではないでしょう:
if (PyType_Ready(&CustomType) < 0)
return;
これは、 NULL に初期化された ob_type
も含めて、いくつかのメンバーを適切なデフォルト値で埋めて、 Custom
型を初期化します。
PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType);
これは型をモジュールの辞書に追加します。
こうすることで Custom
クラスの呼び出しで Custom
インスタンスが作成できるようになります:
>>> import custom
>>> mycustom = custom.Custom()
以上です!
残りの作業はビルドだけです; custom.c
という名前のファイルにここまでのコードを書き込み、次の内容を持つ setup.py を用意します:
from distutils.core import setup, Extension
setup(name="custom", version="1.0",
ext_modules=[Extension("custom", ["custom.c"])])
そして、シェルから以下のように入力します
$ python setup.py build
すると custom.so
ファイルがサブディレクトリに生成されます。そのディレクトリに移動して、Pythonを起動します -- これで import custom
して、Custom オブジェクトで遊べるようになっているはずです。
そんなにむずかしくありません、よね?
もちろん、現在の Custom 型は面白みに欠けています。何もデータを持っていないし、何もできません。継承してサブクラスを作ることさえできないのです。
注釈
この文書では、標準の distutils
モジュールを使って C 拡張をビルドしていますが、現実のユースケースでは、より新しく、保守されている setuptools
ライブラリを利用することを推奨します。これを行う方法を文書化することはこのドキュメントの範囲外ですので、 Python Packaging User's Guide を参照してください。
2.2. 基本のサンプルにデータとメソッドを追加する¶
この基本のサンプルにデータとメソッドを追加してみましょう。ついでに、この型を基底クラスとしても利用できるようにします。ここでは新しいモジュール custom2
をつくり、これらの機能を追加します:
#include <Python.h>
#include "structmember.h"
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, *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;
}
static PyMemberDef Custom_members[] = {
{"first", T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, first), 0,
"first name"},
{"last", T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, last), 0,
"last name"},
{"number", 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 = {
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
.tp_name = "custom2.Custom",
.tp_doc = "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 = {
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;
Py_INCREF(&CustomType);
PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType);
return m;
}
このバージョンでは、いくつもの変更をおこないます。
以下の include を追加します:
#include <structmember.h>
すこしあとでふれますが、この include には属性を扱うための宣言が入っています。
Custom
型は そのC構造体に 3つのデータ属性 first 、 last 、および number をもつようになりました。 first と last 属性はファーストネームとラストネームを格納した Python 文字列で、 number 属性は (C言語の) 整数の値です。
これにしたがうと、オブジェクトの構造体は次のようになります:
typedef struct {
PyObject_HEAD
PyObject *first; /* first name */
PyObject *last; /* last name */
int number;
} CustomObject;
いまや管理すべきデータができたので、オブジェクトの割り当てと解放に際してはより慎重になる必要があります。最低限、オブジェクトの解放メソッドが必要です:
static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
Py_XDECREF(self->first);
Py_XDECREF(self->last);
Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}
この関数は tp_dealloc
メンバに代入されます。
.tp_dealloc = (destructor) Custom_dealloc,
このメソッドは、まず二つのPython 属性の参照カウントをクリアします。 Py_XDECREF()
は引数が NULL のケースを正しく扱えます( これは、tp_new
が途中で失敗した場合に起こりえます)。つぎにオブジェクトの型 (Py_TYPE(self)
で算出します)のメンバ tp_free
を呼び出し、オブジェクトのメモリを開放します。オブジェクトはサブクラスのインスタンスかもしれず、その場合オブジェクトの型が CustomType
とは限らない点に注意してください。
注釈
上の destructor
への明示的な型変換は必要です。なぜなら、 Custom_dealloc
が CustomObject *
引数をとると定義しましたが、 tp_dealloc
関数のポインタは PyObject *
引数を受け取ることになっているからです。もし明示的に型変換をしなければ、コンパイラが警告を発するでしょう。これは、Cにおけるオブジェクト指向のポリモーフィズムです!
ファーストネームとラストネームを空文字列に初期化しておきたいので、tp_new
の実装を追加することにしましょう:
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;
}
そしてこれを tp_new
メンバとしてインストールします:
.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
is passed the type being instantiated (not necessarily CustomType
,
if a subclass is instantiated) and any arguments passed when the type was
called, and is expected to return the instance created. tp_new
handlers
always accept positional and keyword arguments, but they often ignore the
arguments, leaving the argument handling to initializer (a.k.a. tp_init
in C or __init__
in Python) methods.
注釈
tp_new
は明示的に tp_init
を呼び出してはいけません、これはインタープリタが自分で行うためです。
この tp_new
の実装は、tp_alloc
スロットを呼び出してメモリを割り当てます:
self = (CustomObject *) type->tp_alloc(type, 0);
メモリ割り当ては失敗するかもしれないので、先に進む前に tp_alloc
の結果がNULLでないかチェックする必要があります。
注釈
We didn't fill the tp_alloc
slot ourselves. Rather
PyType_Ready()
fills it for us by inheriting it from our base class,
which is object
by default. Most types use the default allocation
strategy.
注釈
もし協力的な tp_new
(基底タイプの tp_new
または __new__()
を呼んでいるもの) を作りたいのならば、実行時のメソッド解決順序をつかってどのメソッドを呼びだすかを決定しようとしては いけません 。つねに呼び出す型を静的に決めておき、直接その tp_new
を呼び出すか、あるいは type->tp_base->tp_new
を経由してください。こうしないと、あなたが作成したタイプの Python サブクラスが他の Python で定義されたクラスも継承している場合にうまく動かない場合があります。 (とりわけ、そのようなサブクラスのインスタンスを TypeError
を出さずに作ることが不可能になります。)
We also define an initialization function which accepts arguments to provide initial values for our instance:
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;
}
これは tp_init
メンバに代入されます。
.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;
}
But this would be risky. Our type doesn't restrict the type of the
first
member, so it could be any kind of object. It could have a
destructor that causes code to be executed that tries to access the
first
member; or that destructor could release the
Global interpreter Lock and let arbitrary code run in other
threads that accesses and modifies our object.
To be paranoid and protect ourselves against this possibility, we almost always reassign members before decrementing their reference counts. When don't we have to do this?
その参照カウントが 1 より大きいと確信できる場合
when we know that deallocation of the object 1 will neither release the GIL nor cause any calls back into our type's code;
when decrementing a reference count in a
tp_dealloc
handler on a type which doesn't support cyclic garbage collection 2.
ここではインスタンス変数を属性として見えるようにしたいのですが、これにはいくつもの方法があります。もっとも簡単な方法は、メンバの定義を与えることです:
static PyMemberDef Custom_members[] = {
{"first", T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, first), 0,
"first name"},
{"last", T_OBJECT_EX, offsetof(CustomObject, last), 0,
"last name"},
{"number", T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
"custom number"},
{NULL} /* Sentinel */
};
そして、この定義を tp_members
スロットに入れましょう:
.tp_members = Custom_members,
Each member definition has a member name, type, offset, access flags and documentation string. See the 総称的な属性を管理する section below for details.
この方法の欠点は、Python 属性に代入できるオブジェクトの型を制限する方法がないことです。ここではファーストネーム first とラストネーム last に、ともに文字列が入るよう期待していますが、今のやり方ではどんな Python オブジェクトも代入できてしまいます。加えてこの属性は削除 (del) できてしまい、その場合、 C のポインタには NULL が設定されます。たとえもしメンバが NULL 以外の値に初期化されるようにしてあったとしても、属性が削除されればメンバは NULL になってしまいます。
ここでは Custom.name()
と呼ばれるメソッドを定義しましょう。これはファーストネーム first とラストネーム last を連結した文字列をそのオブジェクトの名前として返します。
static PyObject *
Custom_name(CustomObject *self)
{
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);
}
このメソッドは C 関数として実装され、 Custom
(あるいは Custom
のサブクラス) のインスタンスを第一引数として受けとります。メソッドはつねにそのインスタンスを最初の引数として受けとらなければなりません。しばしば位置引数とキーワード引数も受けとりますが、今回はなにも必要ないので、固定引数のタプルもキーワード引数の辞書も取らないことにします。このメソッドは Python の以下のメソッドと等価です:
def name(self):
return "%s %s" % (self.first, self.last)
first
メンバと last
メンバがそれぞれ NULL かどうかチェックしなければならないことに注意してください。これらは削除される可能性があり、その場合値は NULL にセットされます。この属性の削除を禁止して、そこに入れられる値を文字列に限定できればなおいいでしょう。次の節ではこれについて扱います。
さて、メソッドを定義したので、ここでメソッド定義用の配列を作成する必要があります:
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)
and assign it to the tp_methods
slot:
.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 build the new module:
from distutils.core import setup, Extension
setup(name="custom", version="1.0",
ext_modules=[
Extension("custom", ["custom.c"]),
Extension("custom2", ["custom2.c"]),
])
2.3. データ属性をこまかく制御する¶
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.
#include <Python.h>
#include "structmember.h"
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, *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;
}
static PyMemberDef Custom_members[] = {
{"number", T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
"custom number"},
{NULL} /* Sentinel */
};
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;
}
static PyObject *
Custom_getlast(CustomObject *self, void *closure)
{
Py_INCREF(self->last);
return self->last;
}
static int
Custom_setlast(CustomObject *self, PyObject *value, void *closure)
{
PyObject *tmp;
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;
}
tmp = self->last;
Py_INCREF(value);
self->last = value;
Py_DECREF(tmp);
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 = {
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
.tp_name = "custom3.Custom",
.tp_doc = "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 = {
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;
Py_INCREF(&CustomType);
PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType);
return m;
}
first
属性と last
属性をよりこまかく制御するためには、カスタムメイドの getter 関数と setter 関数を使います。以下は first
属性から値を取得する関数 (getter) と、この属性に値を格納する関数 (setter) です:
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.
ここでは PyGetSetDef
構造体の配列をつくります:
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 */
};
そしてこれを tp_getset
スロットに登録します:
.tp_getset = Custom_getsetters,
The last item in a PyGetSetDef
structure is the "closure" mentioned
above. In this case, we aren't using a closure, so we just pass NULL.
また、メンバ定義からはこれらの属性を除いておきましょう:
static PyMemberDef Custom_members[] = {
{"number", T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
"custom number"},
{NULL} /* Sentinel */
};
また、ここでは tp_init
ハンドラも渡されるものとして文字列のみを許可するように修正する必要があります 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;
}
これらの変更によって、first
メンバと last
メンバが決して NULL にならないと保証できました。これでほとんどすべてのケースから NULL 値のチェックを除けます。これは多くの Py_XDECREF()
呼び出しを Py_DECREF()
呼び出しに変えられることを意味します。唯一これを変えられないのは tp_dealloc
の実装中で、なぜならそこでは tp_new
でのメンバ初期化が失敗している可能性があるからです。
さて、先ほどもしたように、このモジュール初期化関数と初期化関数内にあるモジュール名を変更しましょう。そして setup.py
ファイルに追加の定義をくわえます。
2.4. 循環ガベージコレクションをサポートする¶
Python は:term:`循環ガベージコレクタ(GC)機能<garbage collection> `をもっており、これは不要なオブジェクトを、たとえ参照カウントがゼロでなくても発見することができます。そのような状況はオブジェクトの参照が循環しているときに起こりえます。たとえば以下の例を考えてください:
>>> l = []
>>> l.append(l)
>>> del l
この例では、自分自身をふくむリストを作りました。たとえこのリストを 削除しても、それは自分自身への参照をまだ持ちつづけますから、参照カウントはゼロにはなりません。嬉しいことに Python には循環ガベージコレクタは最終的にはこのリストが不要であることを検出し、解放できます。
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:
#include <Python.h>
#include "structmember.h"
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, *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;
}
static PyMemberDef Custom_members[] = {
{"number", T_INT, offsetof(CustomObject, number), 0,
"custom number"},
{NULL} /* Sentinel */
};
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)
{
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_INCREF(value);
Py_CLEAR(self->first);
self->first = value;
return 0;
}
static PyObject *
Custom_getlast(CustomObject *self, void *closure)
{
Py_INCREF(self->last);
return 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_INCREF(value);
Py_CLEAR(self->last);
self->last = 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 = {
PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)
.tp_name = "custom4.Custom",
.tp_doc = "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 = {
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;
Py_INCREF(&CustomType);
PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType);
return m;
}
First, the traversal method lets the cyclic GC know about subobjects that could participate in cycles:
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;
}
循環した参照に含まれるかもしれない各内部オブジェクトに対して、 traversal メソッドに渡された visit()
関数を呼びます。 visit()
関数は内部オブジェクトと、traversal メソッドに渡された追加の引数 arg を引数としてとります。この関数はこの値が非負の場合に返される整数の値を返します。
Python provides a Py_VISIT()
macro that automates calling visit
functions. With Py_VISIT()
, we can minimize the amount of boilerplate
in Custom_traverse
:
static int
Custom_traverse(CustomObject *self, visitproc visit, void *arg)
{
Py_VISIT(self->first);
Py_VISIT(self->last);
return 0;
}
注釈
The tp_traverse
implementation must name its
arguments exactly visit and arg in order to use Py_VISIT()
.
Second, we need to provide a method for clearing any subobjects that can participate in cycles:
static int
Custom_clear(CustomObject *self)
{
Py_CLEAR(self->first);
Py_CLEAR(self->last);
return 0;
}
Notice the use of the Py_CLEAR()
macro. It is the recommended and safe
way to clear data attributes of arbitrary types while decrementing
their reference counts. If you were to call Py_XDECREF()
instead
on the attribute before setting it to NULL, there is a possibility
that the attribute's destructor would call back into code that reads the
attribute again (especially if there is a reference cycle).
注釈
You could emulate Py_CLEAR()
by writing:
PyObject *tmp;
tmp = self->first;
self->first = NULL;
Py_XDECREF(tmp);
Nevertheless, it is much easier and less error-prone to always
use Py_CLEAR()
when deleting an attribute. Don't
try to micro-optimize at the expense of robustness!
The deallocator Custom_dealloc
may call arbitrary code when clearing
attributes. It means the circular GC can be triggered inside the function.
Since the GC assumes reference count is not zero, we need to untrack the object
from the GC by calling PyObject_GC_UnTrack()
before clearing members.
Here is our reimplemented deallocator using PyObject_GC_UnTrack()
and Custom_clear
:
static void
Custom_dealloc(CustomObject *self)
{
PyObject_GC_UnTrack(self);
Custom_clear(self);
Py_TYPE(self)->tp_free((PyObject *) self);
}
最後に、 Py_TPFLAGS_HAVE_GC
フラグをクラス定義のフラグに加えます:
.tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE | Py_TPFLAGS_HAVE_GC,
これで完了です。 tp_alloc
スロットまたは tp_free
ハンドラが書かれていれば、それらを循環ガベージコレクションに使えるよう修正すればよいのです。ほとんどの拡張機能は自動的に提供されるバージョンを使うでしょう。
2.5. 他の型のサブクラスを作る¶
既存の型を継承した新しい拡張型を作成することができます。組み込み型から継承するのは特に簡単です。必要な PyTypeObject
を簡単に利用できるからです。それに比べて、 PyTypeObject
構造体を拡張モジュール間で共有するのは難しいです。
次の例では、ビルトインの list
型を継承した SubList
型を作成しています。新しい型は通常のリスト型と完全に互換性がありますが、追加で内部のカウンタを増やす increment()
メソッドを持っています:
>>> import sublist
>>> s = sublist.SubList(range(3))
>>> s.extend(s)
>>> print(len(s))
6
>>> print(s.increment())
1
>>> print(s.increment())
2
#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 = "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);
PyModule_AddObject(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType);
return m;
}
見てわかるように、ソースコードは前の節の Custom
の時と非常に似ています。違う部分をそれぞれを見ていきます。
typedef struct {
PyListObject list;
int state;
} SubListObject;
The primary difference for derived type objects is that the base type's
object structure must be the first value. The base type will already include
the PyObject_HEAD()
at the beginning of its structure.
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.
This pattern is important when writing a type with custom
tp_new
and tp_dealloc
members. The tp_new
handler should not actually
create the memory for the object with its tp_alloc
,
but let the base class handle it by calling its own tp_new
.
The PyTypeObject
struct supports a tp_base
specifying the type's concrete base class. Due to cross-platform compiler
issues, you can't fill that field directly with a reference to
PyList_Type
; it should be done later in the module initialization
function:
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);
PyModule_AddObject(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType);
return m;
}
PyType_Read()
を呼ぶ前に、型の構造体の tp_base
スロットは埋められていなければなりません。既存の型を継承する際には、 tp_alloc
スロットを PyType_GenericNew()
で埋める必要はありません。 -- 基底型のアロケーション関数が継承されます。
この後は、 PyType_Ready()
関数を呼び、タイプオブジェクトをモジュールへ追加するのは、基本的な Custom
の例と同じです。
脚注
- 1
これはそのオブジェクトが文字列や実数などの基本タイプであるような時に成り立ちます。
- 2
We relied on this in the
tp_dealloc
handler in this example, because our type doesn't support garbage collection.- 3
We now know that the first and last members are strings, so perhaps we could be less careful about decrementing their reference counts, however, we accept instances of string subclasses. Even though deallocating normal strings won't call back into our objects, we can't guarantee that deallocating an instance of a string subclass won't call back into our objects.
- 4
Also, even with our attributes restricted to strings instances, the user could pass arbitrary
str
subclasses and therefore still create reference cycles.