如何理解Python的二元算術運算

本篇內容介紹了“如何理解Python的二元算術運算”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

查看 C 代碼

按照慣例，我們從查看 CPython 解釋器編譯的字節碼開始。

>>> def sub(): a - b ...  >>> import dis >>> dis.dis(sub)   1           0 LOAD_GLOBAL              0 (a)               2 LOAD_GLOBAL              1 (b)               4 BINARY_SUBTRACT               6 POP_TOP               8 LOAD_CONST               0 (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，可以看到實現該操作碼的 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

這里的關鍵代碼是PyNumber_Subtract()，實現了減法的實際語義。繼續查看該函數的一些宏，可以找到binary_op1()  函數。它提供了一種管理二元操作的通用方法。

不過，我們不把它作為實現的參考，而是要用Python的數據模型，官方文檔很好，清楚介紹了減法所使用的語義。

從數據模型中學習

通讀數據模型的文檔，你會發現在實現減法時，有兩個方法起到了關鍵作用：__sub__ 和 __rsub__。

1、__sub__()方法

當執行a - b 時，會在 a 的類型中查找__sub__()，然后把 b 作為它的參數。這很像我寫屬性訪問的文章  里的__getattribute__()，特殊/魔術方法是根據對象的類型來解析的，并不是出于性能目的而解析對象本身;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)  會被用來作減法操作。(譯注：魔術方法屬于對象的類型，不屬于對象)

這意味著在本質上，減法只是一個方法調用!你也可以將它理解成標準庫中的 operator.sub() 函數。

我們將仿造該函數實現自己的模型，用 lhs 和 rhs 兩個名稱，分別表示 a-b 的左側和右側，以使示例代碼更易于理解。

# 通過調用__sub__()實現減法  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、讓右側使用__rsub__()

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

當操作的雙方是不同類型時，這樣可以確保它們都有機會嘗試使表達式生效。當它們相同時，我們假設__sub__()  就能夠處理好。但是，即使兩邊的實現相同，你仍然要調用__rsub__()，以防其中一個對象是其它的(子)類。

3、不關心類型

現在，表達式雙方都可以參與運算!但是，如果由于某種原因，某個對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，它應該繼續執行下一個操作，嘗試使代碼正常運行。對于我們的代碼，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。

# 減法的實現，其中表達式的左側和右側均可參與運算 _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、子類優先于父類

如果你看一下__rsub__()  的文檔，就會注意到一條注釋。它說如果一個減法表達式的右側是左側的子類(真正的子類，同一類的不算)，并且兩個對象的__rsub__()  方法不同，則在調用__sub__() 之前會先調用__rsub__()。換句話說，如果 b 是 a 的子類，調用的順序就會被顛倒。

這似乎是一個很奇怪的特例，但它背后是有原因的。當你創建一個子類時，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，否則父類在對子類操作時，就很容易覆蓋子類想要實現的操作。

具體來說，假設有一個名為 Spam 的類，當你執行 Spam() - Spam() 時，得到一個 LessSpam 的實例。接著你又創建了一個 Spam  的子類名為 Bacon，這樣，當你用 Spam 去減 Bacon 時，你得到的是 VeggieSpam。

如果沒有上述規則，Spam() - Bacon() 將得到 LessSpam，因為 Spam 不知道減掉 Bacon 應該得出  VeggieSpam。

但是，有了上述規則，就會得到預期的結果 VeggieSpam，因為 Bacon.__rsub__() 首先會在表達式中被調用(如果計算的是 Bacon()  - Spam()，那么也會得到正確的結果，因為首先會調用 Bacon.__sub__()，因此，規則里才會說兩個類的不同的方法需有區別，而不僅僅是一個由  issubclass() 判斷出的子類。)

# Python中減法的完整實現 _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}"             )

推廣到其它二元運算

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

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

由于閉包和 Python 在對象自省上的靈活性，我們可以提煉出 operator 函數的創建。

# 一個創建閉包的函數，實現了二元運算的邏輯 _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，你可以將減法運算定義為 _create_binary_op(“sub”, “-”)，然后根據需要重復定義出其它運算。

“如何理解Python的二元算術運算”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！