詳解 Python 的二元算術(shù)運(yùn)算，為什么說減法只是語法糖？
聲明| 本翻譯是出于交流學(xué)習(xí)的目的，基于 CC BY-NC-SA 4.0 授權(quán)協(xié)議。
大家對我解讀屬性訪問的博客文章反應(yīng)熱烈，這啟發(fā)了我再寫一篇關(guān)于 Python 有多少語法實(shí)際上只是語法糖的文章。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_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(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();
}
這里的關(guān)鍵代碼是PyNumber_Subtract()，實(shí)現(xiàn)了減法的實(shí)際語義。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(shù)方法屬于對象的類型，不屬于對象）
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(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)對象的__rsub__() 方法不同，則在調(diào)用__sub__() 之前會先調(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，就會得到預(yù)期的結(jié)果 VeggieSpam，因?yàn)?Bacon.__rsub__() 首先會在表達(dá)式中被調(diào)用（如果計(jì)算的是 Bacon() - Spam()，那么也會得到正確的結(jié)果，因?yàn)槭紫葧{(diào)用 Bacon.__sub__()，因此，規(guī)則里才會說兩個(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(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。
更多信息
通過本博客的“語法糖”標(biāo)簽，你可以找到更多詳解 Python 語法的文章。源代碼可以在 https://github.com/brettcannon/desugar 上找到。
有任何問題，可以在公眾號后臺回復(fù)：加群，回答相應(yīng)紅字驗(yàn)證信息，進(jìn)入互助群詢問。
Python實(shí)用寶典 (pythondict.com)
不只是一個(gè)寶典
歡迎關(guān)注公眾號：Python實(shí)用寶典