Python二元算术运算常用方法解析


Posted in Python onSeptember 15, 2020

在本文中,我想谈谈二元算术运算。具体来说,我想解读减法的工作原理:a - b。我故意选择了减法,因为它是不可交换的。这可以强调出操作顺序的重要性,与加法操作相比,你可能会在实现时误将 a 和 b 翻转,但还是得到相同的结果。

查看 C 代码

按照惯例,我们从查看 CPython 解释器编译的字节码开始。

>>> def sub(): a - b 
... 
>>> import dis 
>>> dis.dis(sub) 
 1      0 LOAD_GLOBAL       0 (a) 
       2 LOAD_GLOBAL       1 (b) 
       4 BINARY_SUBTRACT 
       6 POP_TOP 
       8 LOAD_CONST        0 (None) 
       10 RETURN_VALUE

看起来我们需要深入研究 BINARY_SUBTRACT 操作码。翻查 Python/ceval.c 文件,可以看到实现该操作码的 C 代码如下:

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(); 
}

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

这里的关键代码是PyNumber_Subtract(),实现了减法的实际语义。继续查看该函数的一些宏,可以找到binary_op1() 函数。它提供了一种管理二元操作的通用方法。

不过,我们不把它作为实现的参考,而是要用Python的数据模型,官方文档很好,清楚介绍了减法所使用的语义。

从数据模型中学习

通读数据模型的文档,你会发现在实现减法时,有两个方法起到了关键作用:__sub__ 和 __rsub__。

1、__sub__()方法

当执行a - b 时,会在 a 的类型中查找__sub__(),然后把 b 作为它的参数。这很像我写属性访问的文章 里的__getattribute__(),特殊/魔术方法是根据对象的类型来解析的,并不是出于性能目的而解析对象本身;在下面的示例代码中,我使用_mro_getattr() 表示此过程。

因此,如果已定义 __sub__(),则 type(a).__sub__(a,b) 会被用来作减法操作。(译注:魔术方法属于对象的类型,不属于对象)

这意味着在本质上,减法只是一个方法调用!你也可以将它理解成标准库中的 operator.sub() 函数。

我们将仿造该函数实现自己的模型,用 lhs 和 rhs 两个名称,分别表示 a-b 的左侧和右侧,以使示例代码更易于理解。

# 通过调用__sub__()实现减法 
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、让右侧使用__rsub__()

但是,如果 a 没有实现__sub__() 怎么办?如果 a 和 b 是不同的类型,那么我们会尝试调用 b 的 __rsub__()(__rsub__ 里面的“r”表示“右”,代表在操作符的右侧)。

当操作的双方是不同类型时,这样可以确保它们都有机会尝试使表达式生效。当它们相同时,我们假设__sub__() 就能够处理好。但是,即使两边的实现相同,你仍然要调用__rsub__(),以防其中一个对象是其它的(子)类。

3、不关心类型

现在,表达式双方都可以参与运算!但是,如果由于某种原因,某个对象的类型不支持减法怎么办(例如不支持 4 - “stuff”)?在这种情况下,__sub__ 或__rsub__ 能做的就是返回 NotImplemented。

这是给 Python 返回的信号,它应该继续执行下一个操作,尝试使代码正常运行。对于我们的代码,这意味着需要先检查方法的返回值,然后才能假定它起作用。

# 减法的实现,其中表达式的左侧和右侧均可参与运算 
_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、子类优先于父类

如果你看一下__rsub__() 的文档,就会注意到一条注释。它说如果一个减法表达式的右侧是左侧的子类(真正的子类,同一类的不算),并且两个对象的__rsub__() 方法不同,则在调用__sub__() 之前会先调用__rsub__()。换句话说,如果 b 是 a 的子类,调用的顺序就会被颠倒。

这似乎是一个很奇怪的特例,但它背后是有原因的。当你创建一个子类时,这意味着你要在父类提供的操作上注入新的逻辑。这种逻辑不一定要加给父类,否则父类在对子类操作时,就很容易覆盖子类想要实现的操作。

具体来说,假设有一个名为 Spam 的类,当你执行 Spam() - Spam() 时,得到一个 LessSpam 的实例。接着你又创建了一个 Spam 的子类名为 Bacon,这样,当你用 Spam 去减 Bacon 时,你得到的是 VeggieSpam。

如果没有上述规则,Spam() - Bacon() 将得到 LessSpam,因为 Spam 不知道减掉 Bacon 应该得出 VeggieSpam。

但是,有了上述规则,就会得到预期的结果 VeggieSpam,因为 Bacon.__rsub__() 首先会在表达式中被调用(如果计算的是 Bacon() - Spam(),那么也会得到正确的结果,因为首先会调用 Bacon.__sub__(),因此,规则里才会说两个类的不同的方法需有区别,而不仅仅是一个由 issubclass() 判断出的子类。)

# Python中减法的完整实现 
_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}" 
      )

推广到其它二元运算

解决掉了减法运算,那么其它二元运算又如何呢?好吧,事实证明它们的操作相同,只是碰巧使用了不同的特殊/魔术方法名称。

所以,如果我们可以推广这种方法,那么我们就可以实现 13 种操作的语义:+ 、-、*、@、/、//、%、**、<<、>>、&、^、和 |。

由于闭包和 Python 在对象自省上的灵活性,我们可以提炼出 operator 函数的创建。

# 一个创建闭包的函数,实现了二元运算的逻辑 
_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

有了这段代码,你可以将减法运算定义为 _create_binary_op(“sub”, “-”),然后根据需要重复定义出其它运算。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持三水点靠木。

Python 相关文章推荐
Windows下PyMongo下载及安装教程
Apr 27 Python
你应该知道的python列表去重方法
Jan 17 Python
快速查询Python文档方法分享
Dec 27 Python
解决python nohup linux 后台运行输出的问题
May 11 Python
python中不能连接超时的问题及解决方法
Jun 10 Python
对python指数、幂数拟合curve_fit详解
Dec 29 Python
用Cython加速Python到“起飞”(推荐)
Aug 01 Python
基于Python实现船舶的MMSI的获取(推荐)
Oct 21 Python
django2.2 和 PyMySQL版本兼容问题
Feb 17 Python
Python sorted对list和dict排序
Jun 09 Python
举例讲解Python装饰器
Dec 24 Python
Python OpenCV快速入门教程
Apr 17 Python
Python实现像awk一样分割字符串
Sep 15 #Python
详解Pycharm安装及Django安装配置指南
Sep 15 #Python
Java Unsafe类实现原理及测试代码
Sep 15 #Python
python装饰器实现对异常代码出现进行自动监控的实现方法
Sep 15 #Python
Python requests上传文件实现步骤
Sep 15 #Python
python -v 报错问题的解决方法
Sep 15 #Python
基于Python正确读取资源文件
Sep 14 #Python
You might like
php购物车实现方法
2015/01/03 PHP
PHP命名空间namespace用法实例分析
2016/09/27 PHP
PHP实现模拟http请求的方法分析
2017/12/20 PHP
flash 得到自身url参数的代码
2009/11/15 Javascript
基于jQuery实现点击同时更改两个iframe的网址
2010/07/01 Javascript
js使浏览器窗口最大化实现代码(适用于IE)
2013/08/07 Javascript
jQuery中:first选择器用法实例
2014/12/30 Javascript
js实现跟随鼠标移动且带关闭功能的图片广告实例
2015/02/26 Javascript
nodejs中使用多线程编程的方法实例
2015/03/24 NodeJs
jQuery实现可展开合拢的手风琴面板菜单
2015/09/15 Javascript
jQuery 1.9.1源码分析系列(十四)之常用jQuery工具
2015/12/02 Javascript
JS监听微信、支付宝等移动app及浏览器的返回、后退、上一页按钮的事件方法
2016/08/05 Javascript
js两种拼接字符串的简单方法(必看)
2016/09/02 Javascript
JavaScript日期选择功能示例
2017/01/16 Javascript
浅谈webpack组织模块的原理
2018/03/10 Javascript
JavaScript实现京东购物放大镜和选项卡效果的方法分析
2018/07/05 Javascript
Vue Cli3 创建项目的方法步骤
2018/10/15 Javascript
[01:32]寻找你心中的那团火 DOTA2 TI9火焰传递活动今日开启
2019/05/16 DOTA
快速实现基于Python的微信聊天机器人示例代码
2017/03/03 Python
Python简单的制作图片验证码实例
2017/05/31 Python
python 制作自定义包并安装到系统目录的方法
2018/10/27 Python
预订从美国飞往印度的机票:MyTicketsToIndia
2017/05/19 全球购物
J.Crew官网:美国知名休闲服装品牌
2017/05/19 全球购物
德国旅游网站:weg.de
2018/06/03 全球购物
巴西宠物商店:Cobasi
2019/04/19 全球购物
德国亚马逊官方网站:Amazon.de
2020/11/15 全球购物
实习生自我鉴定范文
2013/12/05 职场文书
机关职员工作检讨书
2014/10/23 职场文书
项目经理岗位职责
2015/01/31 职场文书
国家助学贷款承诺书
2015/04/30 职场文书
总经理2015中秋节致辞
2015/07/29 职场文书
表扬信范文
2019/04/22 职场文书
CSS 文字装饰 text-decoration & text-emphasis 详解
2021/04/06 HTML / CSS
go原生库的中bytes.Buffer用法
2021/04/25 Golang
python实现语音常用度量方法的代码详解
2021/05/25 Python
MySQL 开窗函数
2022/02/15 MySQL