2. Definindo Tipos de Extensão: Tutorial

O Python permite que o desenvolvedor de um módulo de extensão em C defina novos tipos que podem ser manipulados a partir do código Python, da mesma forma que os tipos embutidos str e list. O código para de todos tipos de extensão segue um padrão, mas há alguns detalhes que você precisa entender antes de começar. Este documento é uma introdução suave ao tópico.

2.1. O básico

O tempo de execução do CPython trata todos os objetos Python como variáveis do tipo PyObject*, que funciona como um “tipo base” para todos os objetos Python. A estrutura PyObject em si contém apenas a contagem de referências do objeto e um ponteiro para o “objeto de tipo” correspondente. É nesse objeto de tipo que tudo acontece: ele determina quais funções em C o interpretador chama quando, por exemplo, um atributo é acessado em um objeto, um método é chamado ou o objeto é multiplicado por outro. Essas funções em C são chamadas de “métodos de tipo”.

Então, se você quiser definir um novo tipo de extensão, você precisa criar um novo 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

O que estamos mostrando aqui é a maneira tradicional de definir tipos de extensão estáticos. Deve ser adequada para a maioria dos usos. A API C também permite definir tipos de extensão alocados em heap usando a função PyType_FromSpec(), que não é abordada neste tutorial.

#define PY_SSIZE_T_CLEAN
#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 = PyDoc_STR("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);
    if (PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(&CustomType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Isso é bastante informação para assimilar de uma só vez, mas algumas partes devem parecer familiares pelo que foi visto no capítulo anterior. Este arquivo define três elementos:

1. O que o objeto Custom contém: esta é a estrutura do CustomObject, que é alocada uma vez a acada instância Custom.

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.

O primeiro bit é

typedef struct {
    PyObject_HEAD
} CustomObject;

Isto é o que um objeto Custom conterá. PyObject_HEAD é obrigatório no início de cada estrutura de objeto e define um campo chamado ob_base do tipo PyObject, contendo um ponteiro para um objeto de tipo e uma contagem de referências (esses podem ser acessados usando os macros Py_TYPE e Py_REFCNT, respectivamente). O objetivo do macro é abstrair o layout e permitir campos adicionais em construções de depuração.

Nota

Não há ponto e vírgula acima após o macro PyObject_HEAD. Tenha cuidado para não adicionar um por engano: alguns compiladores podem emitir erros.

Obviamente, objetos geralmente armazenam dados adicionais além do padrão PyObject_HEAD boilerplate; por exemplo, aqui está a definição do padrão Python floats:

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

O segundo bit é a definição do objeto de tipo.

static PyTypeObject CustomType = {
    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 usar inicializadores nomeados no estilo C99, como mostrado acima, para evitar listar todos os campos de PyTypeObject com os quais você não precisa se preocupar e também para não depender da ordem de declaração desses campos

A definição real de PyTypeObject no object.h possui muito mais campos do que a definição acima. Os campos restantes serão preenchidos com zeros pelo compilador C, e é prática comum não especificá-los explicitamente, a menos que sejam necessários.

Vamos separá-lo, um campo de cada vez

PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)

Essa linha é um boilerplate obrigatório para inicializar o campo ob_base mencionado acima.

.tp_name = "custom.Custom",

O nome do nosso tipo. Ele aparecerá na representação textual padrão do nosso objeto e em algumas mensagens erro, por exemplo:

>>> "" + 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 os tipos devem incluir essa constante em seus sinalizadores. Ela habilita todos os membros definidos até pelo menos o Python 3.3. Se você precisar de membros adicionais, será necessário fazer um OR com os sinalizadores correspondentes.

Fornecemos uma docstring para o tipo em tp_doc 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 and:

from distutils.core import setup, Extension
setup(name="custom", version="1.0",
      ext_modules=[Extension("custom", ["custom.c"])])

Em um arquivo chamado setup.py; e então digitando

$ python setup.py build

at a shell should produce a file custom.so in a subdirectory; move to that directory and fire up Python — you should be able to import custom and play around with Custom objects.

Isso não foi tão difícil, foi?

Naturalmente, o tipo Custom atual é bastante desinteressante. Não tem dados e não faz nada. Não pode nem ser subclassificado.

Nota

While this documentation showcases the standard distutils module for building C extensions, it is recommended in real-world use cases to use the newer and better-maintained setuptools library. Documentation on how to do this is out of scope for this document and can be found in the Python Packaging User’s Guide.

2.2. Adicionando dados e métodos ao exemplo 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 "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 = 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 = {
    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);
    if (PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(&CustomType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Esta versão do módulo possui várias alterações.

Nós adicionamos uma inclusão extra

#include <structmember.h>

Esta inclusão fornece declarações que usamos para manipular atributos, conforme descrito um pouco mais tarde.

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.

A estrutura do objeto é atualizada de acordo

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

Como agora temos dados para gerenciar, precisamos ter mais cuidado com a alocação e a desalocação do objeto. No mínimo, precisamos de método de desalocação:

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

que é atribuído ao membro 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

The explicit cast to destructor above is needed because we defined Custom_dealloc to take a CustomObject * argument, but the tp_dealloc function pointer expects to receive a PyObject * argument. Otherwise, the compiler will emit a warning. This is object-oriented polymorphism, in C!

Queremos nos certificar de que o primeiro e o último nome sejam inicializados como strings vazias, portanto, fornecemos uma implementação:: 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 instale-o no membro:: 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.

O tp_new recebe o tipo que está sendo instanciado (não necessariamente CustomType, caso uma subclasse esteja sendo instanciada) e quaisquer argumentos passados quando o tipo foi chamado, e deve retornar a instância criada. Manipuladores tp_new sempre aceitam argumentos posicionais e argumentos nomeados, mas frequentemente os ignoram, deixando o tratamento dos argumentos para os métodos inicializadores (ou seja, tp_init em C ou __init__ em Python).

Nota

tp_new não deve chamar tp_init explicitamente, pois o interpretador fará isso por conta própria.

A implementação de tp_new chama o slot tp_alloc para alocar memória:

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

Como a alocação de memória pode falhar, precisamos verificar se o resultado de tp_alloc é NULL antes de prosseguir.

Nota

Nós não preenchemos o slot tp_alloc por conta própria. Em vez disso, PyType_Ready() o preenche herdando-o da nossa classe base, que por padrão é object. A maioria dos tipos usa a estratégia de alocação padrão.

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.)

Também definimos uma função de inicialização que aceita argumentos para fornecer valores iniciais para nosso instância:

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;
}

preenchendo o slot :: 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;
}

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.

Para sermos extremamente cautelosos e nos proteger dessa possibilidade, quase sempre atribuímos novamente os membros antes de decrementar a contagem de referências. Quando não precisamos fazer isso?

• quando sabemos absolutamente que a contagem de referência é maior que 1;

• when we know that deallocation of the object 1 will neither release the GIL nor cause any calls back into our type’s code;

• quando estamos decrementando uma contagem de referências em um manipulador tp_dealloc de um tipo que não oferece suporte à coleta de lixo cíclica 2.

Queremos expor nossas variáveis de instância como atributos. Há várias maneiras de fazer isso. A forma mais simples é estabelecer definições de membros:

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 */
};

e colocar as definições no slot tp_members:

.tp_members = Custom_members,

Cada definição de membro possui um nome de membro, um tipo, um deslocamento, sinalizadores de acesso e uma string de documentação. Consulte a seção Generic Attribute Management abaixo para mais detalhes.

Uma desvantagem dessa abordagem é que ela não fornece uma forma de restringir os tipos de objetos que podem ser atribuídos aos atributos em Python. Esperamos que os nomes first e last sejam strings, mas qualquer objeto Python pode ser atribuído. Além disso, os atributos podem ser excluídos, fazendo com que os ponteiros em C sejam definidos como NULL. Mesmo que possamos garantir que os membros sejam inicializados com valores não NULL, eles ainda podem acabar sendo definidos como NULL caso os atributos sejam apagados.

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.

Agora que definimos o método, precisamos criar uma array de definições 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)

e atribuí-lo para o slot:: 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 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. Fornecendo controle mais preciso sobre atributos de dados

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 "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 = 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 = {
    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);
    if (PyModule_AddObject(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        Py_DECREF(&CustomType);
        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.

Nós criamos um vetor de estruturas 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 */
};

e registra isso num slot tp_getset:

.tp_getset = Custom_getsetters,

A última entrada em uma estrutura PyGetSetDef é o “closure” mencionado acima. Neste caso, não estamos usando um closure, então simplesmente passamos NULL.

Também removemos as definições de membros para esses atributos:

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

Também precisamos atualizar o manipulador tp_init para permitir apenas strings 3 como valores passados:

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;
}

Com essas alterações, podemos garantir que os membros first e last nunca sejam NULL, de modo que podemos remover quase todas as verificações de valores NULL. Isso significa que a maioria das chamadas para Py_XDECREF() pode ser substituída por chamadas para Py_DECREF(). O único lugar em que não podemos substituir essas chamadas é na implementação de tp_dealloc, onde existe a possibilidade de que a inicialização desses membros tenha falhado em tp_new.

Também renomeamos a função de inicialização do módulo e o nome do módulo dentro da função de inicialização, como fizemos anteriormente, e adicionamos uma definição extra ao arquivo setup.py.

2.4. Apoiando a coleta de lixo cíclica

O Python possui um coletor de lixo (GC) cíclico que pode identificar objetos que não são mais necessários mesmo quando suas contagens de referências não são zero. Isso pode acontecer quando os objetos participam de ciclos. Por exemplo, considere:

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

Neste exemplo, criamos uma lista que contém a si mesma. Quando a apagamos, ela ainda possui uma referência apontando para si própria. Sua contagem de referências não cai para zero. Felizmente, o coletor de lixo cíclico do Python acabará percebendo que a lista é lixo e irá liberá-la.

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

    return m;
}

Primeiro, o método de travessia informa ao coletor de lixo cíclico quais subobjetos podem participar de 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.

O Python fornece o macro Py_VISIT(), que automatiza as chamadas às funções visit. Com Py_VISIT(), podemos minimizar a quantidade de boilerplate em Custom_traverse:

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

Nota

A implementação de tp_traverse deve nomear seus argumentos exatamente como visit e arg para que seja possível usar Py_VISIT().

Segundo, precisamos fornecer um método para limpar quaisquer subobjetos que possam participar de ciclos:

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

Observe o uso do macro Py_CLEAR(). Ele é a forma recomendada e segura de limpar atributos de dados de tipos arbitrários enquanto decrementa suas contagens de referências. Se você chamasse Py_XDECREF() no atributo antes de defini-lo como NULL, haveria a possibilidade de que o destrutor do atributo chamasse novamente algum código que lesse o atributo (especialmente se houver um ciclo de referência).

Nota

Você poderia emular Py_CLEAR() ao escrever:

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

Apesar disso, é muito mais fácil e menos propenso a erros, usar sempre Py_CLEAR() ao excluir um atributo. Não tente micro‐otimizar às custas da robustez!

O desalocador Custom_dealloc pode executar código arbitrário ao limpar atributos. Isso significa que o GC pode ser acionado dentro da função. Como o GC presume que a contagem de referências não é zero, precisamos remover o objeto do rastreamento do GC chamando PyObject_GC_UnTrack() antes de limpar os membros. A seguir está nossa versão reimplementada do desalocador usando PyObject_GC_UnTrack() e 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,

Isso é praticamente tudo. Se tivéssemos escrito manipuladores personalizados para tp_alloc ou tp_free, precisaríamos adaptá-los para a coleta de lixo cíclica. A maior parte das extensões usará as versões fornecidas automaticamente.

2.5. Criando subclasses de outros tipos

É possível criar novos tipos de extensão derivados de tipos já existentes. É mais fácil herdar dos tipos embutidos, já que uma extensão pode usar diretamente o PyTypeObject de que precisa. Pode ser difícil compartilhar essas estruturas PyTypeObject entre módulos de extensão distintos.

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;

A diferença principal para objetos de tipos derivados é que a estrutura de objeto do tipo base deve ser o primeiro valor. O tipo base já inclui o PyObject_HEAD() no início de sua própria estrutura.

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.

Esse padrão é importante ao escrever um tipo que possui membros personalizados em tp_new e tp_dealloc. O manipulador tp_new não deve realmente criar a memória do objeto usando o seu próprio tp_alloc; em vez disso, deve permitir que a classe base faça isso, chamando o seu próprio 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);
    if (PyModule_AddObject(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType) < 0) {
        Py_DECREF(&SubListType);
        Py_DECREF(m);
        return NULL;
    }

    return m;
}

Antes de chamar PyType_Ready(), a estrutura do tipo deve ter o slot tp_base preenchido. Ao derivarmos um tipo existente, não é necessário preencher o slot tp_alloc com PyType_GenericNew() — a função de alocação do tipo base será herdada.

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

Notas de rodapé

1

Isso é verdade quando sabemos que o objeto é um tipo básico, como uma string ou um float.

2

Confiamos nisso no manipulador tp_dealloc neste exemplo, porque o nosso tipo não oferece suporte à coleta de lixo.

3

Agora sabemos que o primeiro e último membros são strings, então talvez pudéssemos ter menos cuidado com a diminuição de suas contagens de referência, no entanto, aceitamos instâncias de subclasses de string. Mesmo que a desalocação de strings normais não retorne aos nossos objetos, não podemos garantir que a desalocação de uma instância de uma subclasse de cadeias de caracteres não retornará aos nossos objetos.

4

Além disso, mesmo com nossos atributos restritos a instâncias de strings, o usuário poderia passar arbitrariamente subclasses str e, portanto, ainda criar ciclos de referência.