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 = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    return m;
}

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 = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    return m;
}

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

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

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

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

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

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 = PyUnicode_FromString("");
        if (self->first == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->last = PyUnicode_FromString("");
        if (self->last == NULL) {
            Py_DECREF(self);
            return NULL;
        }
        self->number = 0;
    }
    return (PyObject *) self;
}

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    return m;
}

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.