# 2. Визначення типів розширень: підручник

Python дозволяє автору модуля розширення C визначати нові типи, якими можна керувати з коду Python, подібно до вбудованих типів `str` і `list`. Код для всіх типів розширень відповідає шаблону, але є деякі деталі, які ви повинні зрозуміти, перш ніж почати. Цей документ є легким вступом до теми.

## 2.1. Основи

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».

Отже, якщо ви хочете визначити новий тип розширення, вам потрібно створити об’єкт нового типу.

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`:

Примітка

Тут ми показуємо традиційний спосіб визначення статичних типів розширень. Його має бути достатньо для більшості видів використання. C API також дозволяє визначати типи розширень, виділених у купі, за допомогою функції `PyType_FromSpec()`, яка не розглядається в цьому посібнику.

    #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;

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

        return m;
    }

Це досить багато, щоб зрозуміти відразу, але, сподіваюся, деталі здадуться вам знайомими з попереднього розділу. Цей файл визначає три речі:

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.

Перший біт:

    typedef struct {
        PyObject_HEAD
    } CustomObject;

Це те, що міститиме спеціальний об’єкт. `PyObject_HEAD` є обов’язковим на початку кожної структури об’єкта та визначає поле під назвою `ob_base` типу `PyObject`, що містить вказівник на об’єкт типу та кількість посилань (вони можуть бути отримати доступ за допомогою макросів `Py_TYPE` і `Py_REFCNT` відповідно). Причина макросу полягає в тому, щоб абстрагуватися від макета та ввімкнути додаткові поля в debug builds.

Примітка

Немає крапки з комою після макросу `PyObject_HEAD`. Будьте обережні, додаючи його випадково: деякі компілятори скаржаться.

Звичайно, об’єкти зазвичай зберігають додаткові дані, окрім стандартного шаблону `PyObject_HEAD`; наприклад, ось визначення стандартних floats Python:

    typedef struct {
        PyObject_HEAD
        double ob_fval;
    } PyFloatObject;

Другий біт - це визначення об’єкта типу.

    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,
    };

Примітка

Ми рекомендуємо використовувати призначені ініціалізатори у стилі C99, як зазначено вище, щоб уникнути переліку всіх полів `PyTypeObject`, які вас не цікавлять, а також щоб не піклуватися про порядок оголошення полів.

Справжнє визначення `PyTypeObject` у `object.h` має набагато більше полів, ніж визначення вище. Поля, що залишилися, будуть заповнені нулями компілятором C, і звичайною практикою є не вказувати їх явно, якщо вони вам не потрібні.

Ми збираємося розібрати його, одне поле за раз:

    .ob_base = PyVarObject_HEAD_INIT(NULL, 0)

Цей рядок є обов’язковим шаблоном для ініціалізації поля `ob_base`, згаданого вище.

    .tp_name = "custom.Custom",

Назва нашого типу. Це відображатиметься в типовому текстовому представленні наших об’єктів і в деяких повідомленнях про помилки, наприклад:

    >>> "" + 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.

Примітка

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,

Усі типи повинні включати цю константу у свої прапорці. Він увімкне всі члени, визначені принаймні до Python 3.3. Якщо вам потрібні додаткові члени, вам потрібно буде АБО відповідні прапорці.

Ми надаємо рядок документа для типу в `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`.

    if (PyModule_AddObjectRef(m, "Custom", (PyObject *) &CustomType) < 0) {
        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"])])

у файлі під назвою `setup.py`; потім набравши

    $ 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.

Це було не так важко, чи не так?

Звичайно, поточний тип Custom є досить нецікавим. Він не має даних і нічого не робить. Це навіть не може бути підкласом.

## 2.2. Додавання даних і методів до базового прикладу

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 = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            if (self->first == NULL) {
                Py_DECREF(self);
                return NULL;
            }
            self->last = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            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;
    }

Ця версія модуля має низку змін.

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.

Відповідно оновлено структуру об’єкта:

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

Оскільки тепер у нас є дані, якими потрібно керувати, ми повинні бути обережнішими щодо розподілу та звільнення об’єктів. Як мінімум, нам потрібен метод звільнення:

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

який призначено члену `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.

Примітка

Потрібне явне приведення до `деструктора`, оскільки ми визначили `Custom_dealloc` для отримання аргументу `CustomObject *`, але покажчик функції `tp_dealloc` очікує отримання `PyObject *` аргумент. В іншому випадку компілятор видасть попередження. Це об’єктно-орієнтований поліморфізм у C!

Ми хочемо переконатися, що ім’я та прізвище ініціалізовано порожніми рядками, тому ми надаємо реалізацію `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;
    }

і встановіть його в `tp_new` member:

    .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` передається тип, який створюється (не обов’язково `CustomType`, якщо створено підклас) і будь-які аргументи, передані під час виклику типу, і очікується, що він поверне створений екземпляр. Обробники `tp_new` завжди приймають позиційні аргументи та аргументи ключових слів, але вони часто ігнорують аргументи, залишаючи обробку аргументів методам ініціалізації (він же `tp_init` в C або `__init__` в Python).

Примітка

`tp_new` не повинен викликати `tp_init` явно, оскільки інтерпретатор зробить це сам.

Реалізація `tp_new` викликає слот `tp_alloc` для виділення пам’яті:

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

Оскільки розподіл пам’яті може завершитися помилкою, ми повинні перевірити результат `tp_alloc` на `NULL` перед тим, як продовжити.

Примітка

Ми самі не заповнювали слот `tp_alloc`. Швидше `PyType_Ready()` заповнює його за нас, успадковуючи його від нашого базового класу, яким за замовчуванням є `object`. Більшість типів використовує стратегію розподілу за замовчуванням.

Примітка

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`.)

Ми також визначаємо функцію ініціалізації, яка приймає аргументи для надання початкових значень для нашого екземпляра:

    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;
    }

заповнивши слот `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;
    }

Але це було б ризиковано. Наш тип не обмежує тип `першого` члена, тому це може бути будь-який об’єкт. Він може мати деструктор, який викликає виконання коду, який намагається отримати доступ до `першого` члена; або цей деструктор може звільнити глобальний інтерпретатор Lock і дозволити довільному коду виконуватися в інших потоках, які звертаються до нашого об’єкта та змінюють його.

Щоб бути параноїком і захистити себе від такої можливості, ми майже завжди перепризначаємо учасників перед тим, як зменшити їх кількість посилань. Коли ми не повинні це робити?

- коли ми точно знаємо, що кількість посилань перевищує 1;

- коли ми знаємо, що звільнення об’єкта [1] не звільнить GIL і не призведе до зворотних викликів коду нашого типу;

- під час зменшення кількості посилань у обробнику `tp_dealloc` для типу, який не підтримує циклічне збирання сміття [2].

Ми хочемо представити наші змінні екземпляра як атрибути. Є кілька способів зробити це. Найпростішим способом є визначення членів:

    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 */
    };

і помістіть визначення в слот `tp_members`:

    .tp_members = Custom_members,

Кожне визначення члена має ім’я члена, тип, зсув, позначки доступу та рядок документації. Подробиці див. у розділі Керування загальними атрибутами нижче.

Недолік цього підходу полягає в тому, що він не дає можливості обмежити типи об’єктів, які можна призначити атрибутам Python. Ми очікуємо, що ім’я та прізвище будуть рядками, але можна призначити будь-які об’єкти Python. Крім того, атрибути можна видалити, встановивши покажчики C на `NULL`. Незважаючи на те, що ми можемо переконатися, що члени ініціалізовані значеннями, відмінними від `NULL`, членам можна встановити значення `NULL`, якщо атрибути видалено.

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.

Тепер, коли ми визначили метод, нам потрібно створити масив визначень методів:

    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)

і призначте його `tp_methods` слот:

    .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. Забезпечення більш точного контролю над атрибутами даних

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 = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            if (self->first == NULL) {
                Py_DECREF(self);
                return NULL;
            }
            self->last = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            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.

Ми створюємо масив структур `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 */
    };

і зареєструйте його в слоті `tp_getset`:

    .tp_getset = Custom_getsetters,

Останнім елементом у структурі `PyGetSetDef` є «закриття», згадане вище. У цьому випадку ми не використовуємо закриття, тому ми просто передаємо `NULL`.

Ми також видаляємо визначення учасників для цих атрибутів:

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

Нам також потрібно оновити обробник `tp_init`, щоб дозволити передавати лише рядки [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;
    }

Завдяки цим змінам ми можемо гарантувати, що `перший` і `останній` члени ніколи не є `NULL`, тому ми можемо видалити перевірки значень `NULL` майже у всіх випадках. Це означає, що більшість викликів `Py_XDECREF()` можна перетворити на виклики `Py_DECREF()`. Єдине місце, де ми не можемо змінити ці виклики, це реалізація `tp_dealloc`, де існує ймовірність того, що ініціалізація цих учасників не вдалася в `tp_new`.

Ми також перейменуємо функцію ініціалізації модуля та назву модуля у функції ініціалізації, як ми робили раніше, і додамо додаткове визначення до файлу `setup.py`.

## 2.4. Підтримка циклічного збирання сміття

У Python є циклічний збирач сміття (GC), який може ідентифікувати непотрібні об’єкти, навіть якщо їх кількість посилань не дорівнює нулю. Це може статися, коли об’єкти беруть участь у циклах. Наприклад, розглянемо:

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

У цьому прикладі ми створюємо список, який містить сам себе. Коли ми його видаляємо, воно все ще має посилання на себе. Його кількість посилань не падає до нуля. На щастя, циклічний збирач сміття Python зрештою визначить, що список є сміттям, і звільнить його.

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 = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            if (self->first == NULL) {
                Py_DECREF(self);
                return NULL;
            }
            self->last = Py_GetConstant(Py_CONSTANT_EMPTY_STR);
            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;
    }

По-перше, метод обходу дозволяє циклічному GC знати про підоб’єкти, які можуть брати участь у циклах:

    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 надає макрос `Py_VISIT()`, який автоматизує виклик функцій відвідування. За допомогою `Py_VISIT()` ми можемо мінімізувати кількість шаблонів у `Custom_traverse`:

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

Примітка

Реалізація `tp_traverse` повинна називати свої аргументи точно visit і arg, щоб використовувати `Py_VISIT()`.

По-друге, нам потрібно надати метод для очищення будь-яких підоб’єктів, які можуть брати участь у циклах:

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

Зверніть увагу на використання макросу `Py_CLEAR()`. Це рекомендований і безпечний спосіб очищення атрибутів даних довільних типів із одночасним зменшенням кількості посилань. Якщо ви замість цього викликаєте `Py_XDECREF()` для атрибута перед встановленням значення `NULL`, існує ймовірність того, що деструктор атрибута знову звернеться до коду, який знову зчитує атрибут (особливо, якщо є еталонний цикл).

Примітка

Ви можете емулювати `Py_CLEAR()`, написавши:

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

Тим не менше, набагато простіше та менш схильне до помилок завжди використовувати `Py_CLEAR()` під час видалення атрибута. Не намагайтеся зробити мікрооптимізацію за рахунок надійності!

Розділювач `Custom_dealloc` може викликати довільний код під час очищення атрибутів. Це означає, що циклічний GC може бути запущений всередині функції. Оскільки GC передбачає, що кількість посилань не дорівнює нулю, нам потрібно скасувати відстеження об’єкта з GC, викликавши `PyObject_GC_UnTrack()` перед очищенням елементів. Ось наш повторно реалізований делокатор з використанням `PyObject_GC_UnTrack()` і `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,

Це майже все. Якби ми написали спеціальні обробники `tp_alloc` або `tp_free`, нам потрібно було б змінити їх для циклічного збирання сміття. Більшість розширень використовуватимуть автоматично надані версії.

## 2.5. Підкласи інших типів

Можна створювати нові типи розширень, які є похідними від існуючих типів. Найпростіше успадковувати вбудовані типи, оскільки розширення може легко використовувати необхідний `PyTypeObject`. Може бути важко поділитися цими структурами `PyTypeObject` між модулями розширення.

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;

        if (PyModule_AddObjectRef(m, "SubList", (PyObject *) &SubListType) < 0) {
            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;

Основна відмінність для об’єктів похідного типу полягає в тому, що структура об’єкта базового типу має бути першим значенням. Базовий тип уже включатиме `PyObject_HEAD()` на початку своєї структури.

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.

Цей шаблон важливий під час написання типу з власними елементами `tp_new` і `tp_dealloc`. Обробник `tp_new` насправді не повинен створювати пам’ять для об’єкта за допомогою його `tp_alloc`, а дозволити базовому класу обробляти це, викликаючи власний `tp_new`.

Структура `PyTypeObject` підтримує `tp_base`, що визначає конкретний базовий клас типу. Через проблеми міжплатформного компілятора ви не можете заповнити це поле безпосередньо посиланням на `PyList_Type`; це слід зробити пізніше у функції ініціалізації модуля:

    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;

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

        return m;
    }

Перш ніж викликати `PyType_Ready()`, у структурі типу має бути заповнений слот `tp_base`. Коли ми створюємо існуючий тип, немає необхідності заповнювати `tp_alloc` слот з `PyType_GenericNew()` – функція розподілу з базового типу буде успадкована.

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

Виноски

[1]

Це вірно, коли ми знаємо, що об’єкт є базовим типом, як-от рядок або float.

[2]

Ми покладалися на це в обробнику `tp_dealloc` у цьому прикладі, оскільки наш тип не підтримує збирання сміття.

[3]

Тепер ми знаємо, що перший і останній члени є рядками, тому, можливо, ми могли б бути менш обережними щодо зменшення їх кількості посилань, однак ми приймаємо екземпляри підкласів рядків. Незважаючи на те, що звільнення від розміщення звичайних рядків не призведе до зворотного виклику наших об’єктів, ми не можемо гарантувати, що звільнення від розміщення екземпляра підкласу рядка не призведе до зворотного виклику до наших об’єктів.

[4]

Крім того, навіть якщо наші атрибути обмежені екземплярами рядків, користувач може передавати довільні підкласи `str` і, отже, створювати цикли посилань.