Python 仮想マシンにおける浮動小数点数の実装原理は何ですか?

浮動小数点データ構造

cpython 仮想マシンにおける浮動小数点数型のデータ構造定義は次のとおりです。

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    double ob_fval;
} PyFloatObject;

上記のデータの構造定義図は次のとおりです。

• #上記のデータ構造で最も重要なフィールドは ob_fval で、ここに浮動小数点数が格納されます。実際に保管されている。

• ob_refcnt は、オブジェクトの参照カウントです。

• ob_type はオブジェクトのタイプです。

浮動小数点数の関連メソッド

float オブジェクトの作成

cpython 内で前述したタプル オブジェクトとリスト オブジェクトと同じです。 float 型では、浮動小数点数のメモリ割り当てを高速化するために、中間層も float オブジェクトに追加されます。具体的な関連コードは次のとおりです:

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

cpython 内でさらに実行すると、100 個の float オブジェクトがキャッシュされます。メモリ空間が 100 を超える場合、メモリは直接解放されます。ここで注意する必要があるのは、すべての float オブジェクトは 1 つのポインタだけでキャッシュできることです。これはどのように実現されるのでしょうか。

これは、オブジェクト PyFloatObject の struct _typeobject *ob_type; フィールドを使用して実装されます。free_list のデータは使用されないため、このフィールドを使用して次の float オブジェクトのメモリ空間をポイントします。この機能 メモリスペースを節約します。以下は、float オブジェクトを作成する具体的なプロセスです:

PyObject *
PyFloat_FromDouble(double fval)
{
    // 首先查看 free_list 当中是否有空闲的 float 对象
    PyFloatObject *op = free_list;
    if (op != NULL) {
        // 如果有 那么就将让 free_list 指向 free_list 当中的下一个 float 对象 并且将对应的个数减 1
        free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
        numfree--;
    } else {
      	// 否则的话就需要申请内存空间
        op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
        if (!op)
            return PyErr_NoMemory();
    }
    /* Inline PyObject_New */
    (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type); // PyObject_INIT 这个宏的主要作用是将对象的引用计数设置成 1
    op->ob_fval = fval;
    return (PyObject *) op;
}

Addition

次は、cpython での浮動小数点数の加算の具体的な実装です。プロセス全体は比較的単純です。新しい値を取得し、新しい値を作成します。PyFloatObject オブジェクトを取得し、このオブジェクトを返します。

static PyObject *
float_add(PyObject *v, PyObject *w)
{
    double a,b;
    CONVERT_TO_DOUBLE(v, a); // CONVERT_TO_DOUBLE 这个宏的主要作用就是将对象的 ob_fval 这个字段的值保存到 a 当中
    CONVERT_TO_DOUBLE(w, b); // 这个就是将 w 当中的 ob_fval 字段的值保存到 b 当中
    a = a + b;
    return PyFloat_FromDouble(a); // 创建一个新的 float 对象 并且将这个对象返回
}

引き算

引き算も同様です。

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);
}

Multiplication

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);
}

Division

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);
}

Negation

出力ステートメントの行がここに追加されます。これは、後でテストする際の便宜のためです。

static PyObject *
float_neg(PyFloatObject *v)
{
    printf("%.2lf 正在进行取反运算\n", v->ob_fval);
    return PyFloat_FromDouble(-v->ob_fval);
}

絶対値の検索

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

ブール値の検索

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

下の図は cpython プログラムの修正です。

#修正後に再度浮動小数点数を演算すると、上記のコードに追加した文が出力されていることがわかります。

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