在本文中，我想談?wù)劧阈g(shù)運(yùn)算。具體來說，我想解讀減法的工作原理：a - b。我故意選擇了減法，因?yàn)樗遣豢山粨Q的。這可以強(qiáng)調(diào)出操作順序的重要性，與加法操作相比，你可能會(huì)在實(shí)現(xiàn)時(shí)誤將 a 和 b 翻轉(zhuǎn)，但還是得到相同的結(jié)果。

查看 C 代碼

按照慣例，我們從查看 CPython 解釋器編譯的字節(jié)碼開始。

>>> def sub(): a - b ... >>> import dis >>> dis.dis(sub) 1 0 LOAD_GLOBAL 0 (a)2 LOAD_GLOBAL 1 (b)4 BINARY_SUBTRACT6 POP_TOP8 LOAD_CONST0 (None)10 RETURN_VALUE

看起來我們需要深入研究 BINARY_SUBTRACT 操作碼。翻查 Python/ceval.c 文件，可以看到實(shí)現(xiàn)該操作碼的 C 代碼如下：

case TARGET(BINARY_SUBTRACT): { PyObject *right = POP(); PyObject *left = TOP(); PyObject *diff = PyNumber_Subtract(left, right); Py_DECREF(right); Py_DECREF(left); SET_TOP(diff); if (diff == NULL) goto error; DISPATCH(); }

來源：https://github.com/python/cpython/blob/6f8c8320e9eac9bc7a7f653b43506e75916ce8e8/Python/ceval.c#L1569-L1579

這里的關(guān)鍵代碼是PyNumber_Subtract()，實(shí)現(xiàn)了減法的實(shí)際語(yǔ)義。繼續(xù)查看該函數(shù)的一些宏，可以找到binary_op1() 函數(shù)。它提供了一種管理二元操作的通用方法。

不過，我們不把它作為實(shí)現(xiàn)的參考，而是要用Python的數(shù)據(jù)模型，官方文檔很好，清楚介紹了減法所使用的語(yǔ)義。

從數(shù)據(jù)模型中學(xué)習(xí)

通讀數(shù)據(jù)模型的文檔，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)減法時(shí)，有兩個(gè)方法起到了關(guān)鍵作用：__sub__ 和 __rsub__。

1、__sub__()方法

當(dāng)執(zhí)行a - b 時(shí)，會(huì)在 a 的類型中查找__sub__()，然后把 b 作為它的參數(shù)。這很像我寫屬性訪問的文章 里的__getattribute__()，特殊/魔術(shù)方法是根據(jù)對(duì)象的類型來解析的，并不是出于性能目的而解析對(duì)象本身;在下面的示例代碼中，我使用_mro_getattr() 表示此過程。

因此，如果已定義 __sub__()，則 type(a).__sub__(a,b) 會(huì)被用來作減法操作。(譯注：魔術(shù)方法屬于對(duì)象的類型，不屬于對(duì)象)

這意味著在本質(zhì)上，減法只是一個(gè)方法調(diào)用!你也可以將它理解成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的 operator.sub() 函數(shù)。

我們將仿造該函數(shù)實(shí)現(xiàn)自己的模型，用 lhs 和 rhs 兩個(gè)名稱，分別表示 a-b 的左側(cè)和右側(cè)，以使示例代碼更易于理解。

# 通過調(diào)用__sub__()實(shí)現(xiàn)減法 def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: '''Implement the binary operation `a - b`.''' lhs_type = type(lhs) try: subtract = _mro_getattr(lhs_type, '__sub__') except AttributeError: msg = f'unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {type(rhs)!r}' raise TypeError(msg) else: return subtract(lhs, rhs)

2、讓右側(cè)使用__rsub__()

但是，如果 a 沒有實(shí)現(xiàn)__sub__() 怎么辦?如果 a 和 b 是不同的類型，那么我們會(huì)嘗試調(diào)用 b 的 __rsub__()(__rsub__ 里面的“r”表示“右”，代表在操作符的右側(cè))。

當(dāng)操作的雙方是不同類型時(shí)，這樣可以確保它們都有機(jī)會(huì)嘗試使表達(dá)式生效。當(dāng)它們相同時(shí)，我們假設(shè)__sub__() 就能夠處理好。但是，即使兩邊的實(shí)現(xiàn)相同，你仍然要調(diào)用__rsub__()，以防其中一個(gè)對(duì)象是其它的(子)類。

3、不關(guān)心類型

現(xiàn)在，表達(dá)式雙方都可以參與運(yùn)算!但是，如果由于某種原因，某個(gè)對(duì)象的類型不支持減法怎么辦(例如不支持 4 - “stuff”)?在這種情況下，__sub__ 或__rsub__ 能做的就是返回 NotImplemented。

這是給 Python 返回的信號(hào)，它應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)操作，嘗試使代碼正常運(yùn)行。對(duì)于我們的代碼，這意味著需要先檢查方法的返回值，然后才能假定它起作用。

# 減法的實(shí)現(xiàn)，其中表達(dá)式的左側(cè)和右側(cè)均可參與運(yùn)算 _MISSING = object() def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: # lhs.__sub__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, '__sub__') except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__rsub__ (for knowing if rhs.__rub__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, '__rsub__') except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__rsub__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, '__rsub__') except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: raise TypeError( f'unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}' )

4、子類優(yōu)先于父類

如果你看一下__rsub__() 的文檔，就會(huì)注意到一條注釋。它說如果一個(gè)減法表達(dá)式的右側(cè)是左側(cè)的子類(真正的子類，同一類的不算)，并且兩個(gè)對(duì)象的__rsub__() 方法不同，則在調(diào)用__sub__() 之前會(huì)先調(diào)用__rsub__()。換句話說，如果 b 是 a 的子類，調(diào)用的順序就會(huì)被顛倒。

這似乎是一個(gè)很奇怪的特例，但它背后是有原因的。當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)子類時(shí)，這意味著你要在父類提供的操作上注入新的邏輯。這種邏輯不一定要加給父類，否則父類在對(duì)子類操作時(shí)，就很容易覆蓋子類想要實(shí)現(xiàn)的操作。

具體來說，假設(shè)有一個(gè)名為 Spam 的類，當(dāng)你執(zhí)行 Spam() - Spam() 時(shí)，得到一個(gè) LessSpam 的實(shí)例。接著你又創(chuàng)建了一個(gè) Spam 的子類名為 Bacon，這樣，當(dāng)你用 Spam 去減 Bacon 時(shí)，你得到的是 VeggieSpam。

如果沒有上述規(guī)則，Spam() - Bacon() 將得到 LessSpam，因?yàn)?Spam 不知道減掉 Bacon 應(yīng)該得出 VeggieSpam。

但是，有了上述規(guī)則，就會(huì)得到預(yù)期的結(jié)果 VeggieSpam，因?yàn)?Bacon.__rsub__() 首先會(huì)在表達(dá)式中被調(diào)用(如果計(jì)算的是 Bacon() - Spam()，那么也會(huì)得到正確的結(jié)果，因?yàn)槭紫葧?huì)調(diào)用 Bacon.__sub__()，因此，規(guī)則里才會(huì)說兩個(gè)類的不同的方法需有區(qū)別，而不僅僅是一個(gè)由 issubclass() 判斷出的子類。)

# Python中減法的完整實(shí)現(xiàn) _MISSING = object() def sub(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: # lhs.__sub__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, '__sub__') except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__rsub__ (for knowing if rhs.__rub__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, '__rsub__') except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__rsub__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, '__rsub__') except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if ( rhs_type is not _MISSING # Do we care? and rhs_type is not lhs_type # Could RHS be a subclass? and issubclass(rhs_type, lhs_type) # RHS is a subclass! and lhs_rmethod is not rhs_method # Is __r*__ actually different? ): calls = call_rhs, call_lhs elif lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: raise TypeError( f'unsupported operand type(s) for -: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}' )

推廣到其它二元運(yùn)算

解決掉了減法運(yùn)算，那么其它二元運(yùn)算又如何呢?好吧，事實(shí)證明它們的操作相同，只是碰巧使用了不同的特殊/魔術(shù)方法名稱。

所以，如果我們可以推廣這種方法，那么我們就可以實(shí)現(xiàn) 13 種操作的語(yǔ)義：+ 、-、*、@、/、//、%、**、<<、>>、&、^、和 |。

由于閉包和 Python 在對(duì)象自省上的靈活性，我們可以提煉出 operator 函數(shù)的創(chuàng)建。

# 一個(gè)創(chuàng)建閉包的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了二元運(yùn)算的邏輯 _MISSING = object() def _create_binary_op(name: str, operator: str) -> Any: '''Create a binary operation function. The `name` parameter specifies the name of the special method used for the binary operation (e.g. `sub` for `__sub__`). The `operator` name is the token representing the binary operation (e.g. `-` for subtraction). ''' lhs_method_name = f'__{name}__' def binary_op(lhs: Any, rhs: Any, /) -> Any: '''A closure implementing a binary operation in Python.''' rhs_method_name = f'__r{name}__' # lhs.__*__ lhs_type = type(lhs) try: lhs_method = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, lhs_method_name) except AttributeError: lhs_method = _MISSING # lhs.__r*__ (for knowing if rhs.__r*__ should be called first) try: lhs_rmethod = debuiltins._mro_getattr(lhs_type, rhs_method_name) except AttributeError: lhs_rmethod = _MISSING # rhs.__r*__ rhs_type = type(rhs) try: rhs_method = debuiltins._mro_getattr(rhs_type, rhs_method_name) except AttributeError: rhs_method = _MISSING call_lhs = lhs, lhs_method, rhs call_rhs = rhs, rhs_method, lhs if ( rhs_type is not _MISSING # Do we care? and rhs_type is not lhs_type # Could RHS be a subclass? and issubclass(rhs_type, lhs_type) # RHS is a subclass! and lhs_rmethod is not rhs_method # Is __r*__ actually different? ): calls = call_rhs, call_lhs elif lhs_type is not rhs_type: calls = call_lhs, call_rhs else: calls = (call_lhs,) for first_obj, meth, second_obj in calls: if meth is _MISSING: continue value = meth(first_obj, second_obj) if value is not NotImplemented: return value else: exc = TypeError( f'unsupported operand type(s) for {operator}: {lhs_type!r} and {rhs_type!r}' ) exc._binary_op = operator raise exc

有了這段代碼，你可以將減法運(yùn)算定義為 _create_binary_op(“sub”, “-”)，然后根據(jù)需要重復(fù)定義出其它運(yùn)算。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持好吧啦網(wǎng)。