高性能编程基础：类、对象-Python高并发编程与实战

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### 1.1 Python中的类
Python作为一门面向对象的高级编程语言，提供了丰富的面向对象编程的实现，包括面向对象语言中的类、对象。对于任意一门面向对象的高级编程语言，最基础的特性都是封装、继承和多态，而实现这些特性的基础正是面向对象编程语言中的类。

类是真实世界中的事务在Python语言中的一种实现，其规定了真实世界中的事务在Python语言中的组成，是使用Python来描绘真实世界中事务的手段。在真实世界中，事务可能是一个非常大的问题，也可能是一个非常小的问题，即在真实世界中，事务本身不是一个定数，所以，Python中类的设计也是如此。

Python中的类规定了真实世界中的事务在Python中的定义和实现，我们可以通过以下代码定义Python中的类：
![](/uploads/images/20231206/47bfdb4b9066836181731f648e41210a.png)
执行上述代码即可创建一个名为[className]的Python类。在Python中存在一个全局解释器，该解释器用来执行Python代码。Python解释器将处理类的过程全部执行完毕后，通过上述代码创建的Python类才能被真正创建。

Python中的类在被创建之后，在类的同一生命周期下，就不允许继续修改了，因为该类已经被转义为Python解释器可识别的代码，这些代码已经被解释和执行了。如果需要继续修改该Python类，我们可以先在该Python类中编写需要修改的内容，然后手动执行并重新解释。

在了解了Python类的创建过程和解释过程之后，我们真正创建一个Python类来进一步了解Python类的组成。根据上述创建类的代码，我们创建一个名为HelloPython的类，并且在HelloPython类中先定义两个成员变量strA和strB，再定义两个方法：一个方法被声明为Hello，另一个方法被声明为World。创建HelloPython类的代码如下所示。
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我们再来看一下HelloPython类所在的目录结构，以PyCharm代码编辑器为例，HelloPython所在目录结构如图1-1所示。
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这里是在一个名为highPro的项目中创建HelloPython类。highPro项目是本书所使用的项目，该项目会在后文进行介绍。

通过图1-1可知，HelloPython类所在的Python文件名为HelloWorld，并不是HelloPython，这在Python语言中是允许的，但是在Java语言中会直接报错，连编译都不能。这就是Python语言和Java语言最显著的区别。

Python解释器在解释Python代码时，会先对Python代码进行编译，在编译通过之后，才会将编译的Python代码交给Python解释器（虚拟机）来执行，这是Python代码解释的全过程，而在这个过程中会有不同类型的文件产出。我们以HelloPython类为例展开介绍，如图1-2所示。

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通过图1-2可知，HelloPython类会先被Python编译器进行编译。在编译阶段，Python编译器会检查HelloPython类代码是否符合Python语言所规定的语法格式和语义规范，还会检查各种变量的定义和引用等。只有这些检查项全部通过，编译才能通过，这些检查项中只要有一项存在异常或错误，Python编译器就会立即中断编译，向用户抛出异常或错误。重复该过程，直到编译通过。

在HelloPython类编译通过后会输出HelloPython类字节码文件，如图1-3所示。
![](/uploads/images/20231206/930398372fb967b120e69fe65c36bb16.png)
通过图1-3可知，HelloPython类生成的字节码文件名为HelloWorld.cpython-39.pyc，大小为1KB。HelloPython类字节码文件名称由4部分组成。

● HelloWorld：表示Python文件的名称，即HelloPython类所在的Python文件的名称。

● cpython：表示HelloPython类被哪种虚拟机编译，本书使用的是Python默认实现的CPython虚拟机，所以这里是cpython。

● 39：表示当前Python版本在CPython虚拟机中对应的字节码版本号，该版本号默认由采用的Python版本的第一位大版本号和第二位小版本号组成，忽略其余位数的版本号。本书采用的Python版本是3.9.5，取前两位来表示这一字节码版本号，忽略后面的5，所以这里是39。

● pyc：这是文件的后缀名，表示当前的文件类型是Python字节码文件，而不是Java字节码文件。Java字节码文件名以javac结尾。

接着将HelloPython类字节码文件交由CPython虚拟机处理。CPython虚拟机的主要工作是解析HelloPython类字节码文件，并根据该字节码文件中的内容为HelloPython类中的各种变量分配内存空间，为各种方法创建执行所需的栈帧空间。如果该类中存在类的实例，CPython虚拟机会为该类的实例分配内存空间，并初始化该类的实例的其他属性。下面介绍HelloPython类字节码文件中的底层内容，以便更好地理解Python类字节码文件，如图1-4所示。

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这里我们只需要看3个部分。第一部分是图1-4所示的前8位，即610D0D0A。这部分是Python字节码的第一部分，即Python语言中的魔数。CPython虚拟机根据这8位内容判断当前需要处理的字节码文件是不是Python字节码文件。

如果一个字节码文件的头内容中包含610D0D0A，就表示该字节码文件是Python字节码文件，此时CPython虚拟机才会继续向下解析该文件，否则会终止解析，并向用户抛出异常或错误。CPython虚拟机所能识别的Python字节码的魔数，同样会随着Python版本而发生改变，并不是固定不变的。

第二部分是图1-4所示的第8列到第B列的内容，即DA808C62。这8位表示Python字节码文件头的大小。我们可以使用数据解释器计算出该类字节码文件头的大小，如图1-5所示。

第三部分是Offset，即偏移量从00000000往下一直到该文件结束（不包含00000000）的内容，这部分就是HelloPython类中的字段、方法或者实例被编译成字节码之后的内容。
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回到我们平常所说的Python代码解释过程，结合笔者对HelloPython类代码的解析过程可以得出，Python语言中所说的解释器其实就是Python编译器和Python虚拟机结合的产物，即Python代码的编译和Python虚拟机的处理是同一时机触发的，只不过这个过程没有对外暴露而已。

### 1.2 Python中的对象
本质上来说，Python中的对象是对Python中的类进行实例化后输出的产物。Python中的对象和Python中的基本类型变量在实现方式上是完全不同的。

对于Python中的基本类型变量来说，Python官方在Python语言层面已经进行了规定或约束。以数字类型变量来说，在Python语言对外发布时，数字类型已经被固化到了Python语言当中，并且通过一定的数字占位，与Python虚拟机中的语义规范进行对应，即我们在Python中声明了数字类型的基本变量之后，Python虚拟机通过已经固化好的数字占位来识别这一变量所属的类型。

Python中的对象本身也是一种变量，只不过这种变量的类型是随机的、可变的，这是与Python中的基本类型变量最大的不同之处。Python官方规定了Python对象在Python虚拟机中的存活方式，即以一种对象地址的形式在Python虚拟机中存在，且对象的生命周期交由Python虚拟机自动管理，不需要开发者手动管理Python对象的生命周期。需要开发者做的，只是创建Python对象。

在Python中，创建一个类的对象的代码如下所示。
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在上述代码中，我们定义了一个名为ExampleClass的类，并且在ExampleClass类中声明了两个数字类型变量NumsA和NumsB，还声明了一个名为demo的方法，该方法最终返回hello python。我们将ExampleClass类定义完毕之后，就可以在需要用到的地方对它进行实例化了。在上述代码中，ExampleClassObject=ExampleClass()代码通过ExampleClass()的方式将定义好的ExampleClass类实例化，即通过ExampleClass()的方式创建ExampleClass类的对象，并用ExampleClassObject变量来接收。

和其他面向对象的编程语言创建类的对象的方式不同，在Python中不需要通过new关键字创建对象，只需要在类的名称后面添加一对英文状态下的小括号就可以了。其他面向对象的高级编程语言中的对象的基本组成，如对象的头信息、对象的实例数据、对象的填充数据，在Python语言中也有。

在执行了ExampleClass()之后，Python解释器会首先确定与ExampleClass()对应的类的类型。在确定对应类的类型后，Python解释器便和Python虚拟机共同为ExampleClass()类型对象分配一定的内存空间，从而存储ExampleClass()对象。在这些基础的分配流程完成之后，我们还为ExampleClass()对象赋予一个变量，即ExampleClassObject。

所以，访问ExampleClass()对象中的字段或者方法可以通过ExampleClassObject变量来实现。值得注意的是，ExampleClassObject变量中并不会存储ExampleClass()对象本身，而是存储ExampleClass()对象的副本地址，使其成为ExampleClass()对象的一个引用，并最终以这种引用的方式存在。在Python中，通过ExampleClassObject变量来访问ExampleClass()对象时始终会使用引用的方式。

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