Python虛擬機中浮點數的實現原理是什么

這篇文章主要介紹“Python虛擬機中浮點數的實現原理是什么”，在日常操作中，相信很多人在Python虛擬機中浮點數的實現原理是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Python虛擬機中浮點數的實現原理是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

Float 數據結構

在 cpython 虛擬機當中浮點數類型的數據結構定義如下所示：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

上面的數據結構定義圖示如下：

• 在上面的數據結構當中最重要的一個字段就是 ob_fval，這個就是真實存儲浮點數的地方。

• ob_refcnt 就是對象的引用計數。

• ob_type 就是對象的類型。

浮點數的相關方法

創建 float 對象

和我們在前面所討論到的元組和列表對象一樣，在 cpython 內部實現 float 類型的時候也會給 float 對象做一層中間層以加快浮點數的內存分配，具體的相關代碼如下所示：

#define PyFloat_MAXFREELIST    100
static int numfree = 0;
static PyFloatObject *free_list = NULL;

在 cpython 內部做多會緩存 100 個 float 對象的內存空間，如果超過 100 就會直接釋放內存了，這里需要注意一點的是只用一個指針就可以將所有的 float 對象緩存起來，這一點是如何實現的。

這是使用在對象 PyFloatObject 當中的 struct _typeobject *ob_type; 這個字段實現的，用這個字段指向下一個 float 對象的內存空間，因為在 free_list 當中的數據并沒有使用，因此可以利用這個特點節省一些內存空間。下面則是創建 float 對象的具體過程：

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    // 首先查看 free_list 當中是否有空閑的 float 對象
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        // 如果有 那么就將讓 free_list 指向 free_list 當中的下一個 float 對象 并且將對應的個數減 1
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
      	// 否則的話就需要申請內存空間
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type); // PyObject_INIT 這個宏的主要作用是將對象的引用計數設置成 1
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}

加法

下面是在 cpython 當中浮點數的加法具體實現，整個過程比較簡單就是得到新的值，并且創建一個新的 PyFloatObject 對象，并且將這個對象返回。

static PyObject *
float_add(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a); // CONVERT_TO_DOUBLE 這個宏的主要作用就是將對象的 ob_fval 這個字段的值保存到 a 當中
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b); // 這個就是將 w 當中的 ob_fval 字段的值保存到 b 當中
    a = a + b;
    return PyFloat_FromDouble(a); // 創建一個新的 float 對象 并且將這個對象返回
}

減法

同理減法也是一樣的。

static PyObject *
float_sub(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    a = a - b;
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

乘法

static PyObject *
float_mul(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    PyFPE_START_PROTECT("multiply", return 0)
    a = a * b;
    PyFPE_END_PROTECT(a)
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

除法

static PyObject *
float_div(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a);
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b);
    if (b == 0.0) {
        PyErr_SetString(PyExc_ZeroDivisionError,
                        "float division by zero");
        return NULL;
    }
    a = a / b;
    return PyFloat_FromDouble(a);
}

取反

這里加入了一行輸出語句，這個是為了后面方便我們進行測試的。

static PyObject *
float_neg(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進行取反運算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(-v->ob_fval);
}

求絕對值

static PyObject *
float_abs(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進行取 abs 運算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(fabs(v->ob_fval));
}

求 bool 值

static int
float_bool(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在進行取 bool 運算\n", v->ob_fval);
    return v->ob_fval != 0.0;
}

下圖是我們對于 cpython 對程序的修改！

下面是修改之后我們再次對浮點數進行操作的時候的輸出，可以看到的是輸出了我們在上面的代碼當中加入的語句。

到此，關于“Python虛擬機中浮點數的實現原理是什么”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！