Python二元算术运算常用方法解析
在本文中，我想谈谈二元算术运算。具体来说，我想解读减法的工作原理：a-b。我故意选择了减法，因为它是不可交换的。这可以强调出操作顺序的重要性，与加法操作相比，你可能会在实现时误将a和b翻转，但还是得到相同的结果。
查看C代码
按照惯例，我们从查看CPython解释器编译的字节码开始。
>>>defsub():a-b ... >>>importdis >>>dis.dis(sub) 10LOAD_GLOBAL0(a) 2LOAD_GLOBAL1(b) 4BINARY_SUBTRACT 6POP_TOP 8LOAD_CONST0(None) 10RETURN_VALUE
看起来我们需要深入研究BINARY_SUBTRACT操作码。翻查Python/ceval.c文件，可以看到实现该操作码的C代码如下：
caseTARGET(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)
gotoerror;
DISPATCH();
}
来源：https://github.com/python/cpython/blob/6f8c8320e9eac9bc7a7f653b43506e75916ce8e8/Python/ceval.c#L1569-L1579
这里的关键代码是PyNumber_Subtract()，实现了减法的实际语义。继续查看该函数的一些宏，可以找到binary_op1()函数。它提供了一种管理二元操作的通用方法。
不过，我们不把它作为实现的参考，而是要用Python的数据模型，官方文档很好，清楚介绍了减法所使用的语义。
从数据模型中学习
通读数据模型的文档，你会发现在实现减法时，有两个方法起到了关键作用：__sub__和__rsub__。
1、__sub__()方法
当执行a-b时，会在a的类型中查找__sub__()，然后把b作为它的参数。这很像我写属性访问的文章里的__getattribute__()，特殊/魔术方法是根据对象的类型来解析的，并不是出于性能目的而解析对象本身;在下面的示例代码中，我使用_mro_getattr()表示此过程。
因此，如果已定义__sub__()，则type(a).__sub__(a,b)会被用来作减法操作。(译注：魔术方法属于对象的类型，不属于对象)
这意味着在本质上，减法只是一个方法调用!你也可以将它理解成标准库中的operator.sub()函数。
我们将仿造该函数实现自己的模型，用lhs和rhs两个名称，分别表示a-b的左侧和右侧，以使示例代码更易于理解。
#通过调用__sub__()实现减法
defsub(lhs:Any,rhs:Any,/)->Any:
"""Implementthebinaryoperation`a-b`."""
lhs_type=type(lhs)
try:
subtract=_mro_getattr(lhs_type,"__sub__")
exceptAttributeError:
msg=f"unsupportedoperandtype(s)for-:{lhs_type!r}and{type(rhs)!r}"
raiseTypeError(msg)
else:
returnsubtract(lhs,rhs)
2、让右侧使用__rsub__()
但是，如果a没有实现__sub__()怎么办?如果a和b是不同的类型，那么我们会尝试调用b的__rsub__()(__rsub__里面的“r”表示“右”，代表在操作符的右侧)。
当操作的双方是不同类型时，这样可以确保它们都有机会尝试使表达式生效。当它们相同时，我们假设__sub__()就能够处理好。但是，即使两边的实现相同，你仍然要调用__rsub__()，以防其中一个对象是其它的(子)类。
3、不关心类型
现在，表达式双方都可以参与运算!但是，如果由于某种原因，某个对象的类型不支持减法怎么办(例如不支持4-“stuff”)?在这种情况下，__sub__或__rsub__能做的就是返回NotImplemented。
这是给Python返回的信号，它应该继续执行下一个操作，尝试使代码正常运行。对于我们的代码，这意味着需要先检查方法的返回值，然后才能假定它起作用。
#减法的实现，其中表达式的左侧和右侧均可参与运算
_MISSING=object()
defsub(lhs:Any,rhs:Any,/)->Any:
#lhs.__sub__
lhs_type=type(lhs)
try:
lhs_method=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__sub__")
exceptAttributeError:
lhs_method=_MISSING
#lhs.__rsub__(forknowingifrhs.__rub__shouldbecalledfirst)
try:
lhs_rmethod=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__rsub__")
exceptAttributeError:
lhs_rmethod=_MISSING
#rhs.__rsub__
rhs_type=type(rhs)
try:
rhs_method=debuiltins._mro_getattr(rhs_type,"__rsub__")
exceptAttributeError:
rhs_method=_MISSING
call_lhs=lhs,lhs_method,rhs
call_rhs=rhs,rhs_method,lhs
iflhs_typeisnotrhs_type:
calls=call_lhs,call_rhs
else:
calls=(call_lhs,)
forfirst_obj,meth,second_objincalls:
ifmethis_MISSING:
continue
value=meth(first_obj,second_obj)
ifvalueisnotNotImplemented:
returnvalue
else:
raiseTypeError(
f"unsupportedoperandtype(s)for-:{lhs_type!r}and{rhs_type!r}"
)
4、子类优先于父类
如果你看一下__rsub__()的文档，就会注意到一条注释。它说如果一个减法表达式的右侧是左侧的子类(真正的子类，同一类的不算)，并且两个对象的__rsub__()方法不同，则在调用__sub__()之前会先调用__rsub__()。换句话说，如果b是a的子类，调用的顺序就会被颠倒。
这似乎是一个很奇怪的特例，但它背后是有原因的。当你创建一个子类时，这意味着你要在父类提供的操作上注入新的逻辑。这种逻辑不一定要加给父类，否则父类在对子类操作时，就很容易覆盖子类想要实现的操作。
具体来说，假设有一个名为Spam的类，当你执行Spam()-Spam()时，得到一个LessSpam的实例。接着你又创建了一个Spam的子类名为Bacon，这样，当你用Spam去减Bacon时，你得到的是VeggieSpam。
如果没有上述规则，Spam()-Bacon()将得到LessSpam，因为Spam不知道减掉Bacon应该得出VeggieSpam。
但是，有了上述规则，就会得到预期的结果VeggieSpam，因为Bacon.__rsub__()首先会在表达式中被调用(如果计算的是Bacon()-Spam()，那么也会得到正确的结果，因为首先会调用Bacon.__sub__()，因此，规则里才会说两个类的不同的方法需有区别，而不仅仅是一个由issubclass()判断出的子类。)
#Python中减法的完整实现
_MISSING=object()
defsub(lhs:Any,rhs:Any,/)->Any:
#lhs.__sub__
lhs_type=type(lhs)
try:
lhs_method=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__sub__")
exceptAttributeError:
lhs_method=_MISSING
#lhs.__rsub__(forknowingifrhs.__rub__shouldbecalledfirst)
try:
lhs_rmethod=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,"__rsub__")
exceptAttributeError:
lhs_rmethod=_MISSING
#rhs.__rsub__
rhs_type=type(rhs)
try:
rhs_method=debuiltins._mro_getattr(rhs_type,"__rsub__")
exceptAttributeError:
rhs_method=_MISSING
call_lhs=lhs,lhs_method,rhs
call_rhs=rhs,rhs_method,lhs
if(
rhs_typeisnot_MISSING#Dowecare?
andrhs_typeisnotlhs_type#CouldRHSbeasubclass?
andissubclass(rhs_type,lhs_type)#RHSisasubclass!
andlhs_rmethodisnotrhs_method#Is__r*__actuallydifferent?
):
calls=call_rhs,call_lhs
eliflhs_typeisnotrhs_type:
calls=call_lhs,call_rhs
else:
calls=(call_lhs,)
forfirst_obj,meth,second_objincalls:
ifmethis_MISSING:
continue
value=meth(first_obj,second_obj)
ifvalueisnotNotImplemented:
returnvalue
else:
raiseTypeError(
f"unsupportedoperandtype(s)for-:{lhs_type!r}and{rhs_type!r}"
)
推广到其它二元运算
解决掉了减法运算，那么其它二元运算又如何呢?好吧，事实证明它们的操作相同，只是碰巧使用了不同的特殊/魔术方法名称。
所以，如果我们可以推广这种方法，那么我们就可以实现13种操作的语义：+、-、*、@、/、//、%、**、<<、>>、&、^、和|。
由于闭包和Python在对象自省上的灵活性，我们可以提炼出operator函数的创建。
#一个创建闭包的函数，实现了二元运算的逻辑
_MISSING=object()
def_create_binary_op(name:str,operator:str)->Any:
"""Createabinaryoperationfunction.
The`name`parameterspecifiesthenameofthespecialmethodusedforthe
binaryoperation(e.g.`sub`for`__sub__`).The`operator`nameisthe
tokenrepresentingthebinaryoperation(e.g.`-`forsubtraction).
"""
lhs_method_name=f"__{name}__"
defbinary_op(lhs:Any,rhs:Any,/)->Any:
"""AclosureimplementingabinaryoperationinPython."""
rhs_method_name=f"__r{name}__"
#lhs.__*__
lhs_type=type(lhs)
try:
lhs_method=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,lhs_method_name)
exceptAttributeError:
lhs_method=_MISSING
#lhs.__r*__(forknowingifrhs.__r*__shouldbecalledfirst)
try:
lhs_rmethod=debuiltins._mro_getattr(lhs_type,rhs_method_name)
exceptAttributeError:
lhs_rmethod=_MISSING
#rhs.__r*__
rhs_type=type(rhs)
try:
rhs_method=debuiltins._mro_getattr(rhs_type,rhs_method_name)
exceptAttributeError:
rhs_method=_MISSING
call_lhs=lhs,lhs_method,rhs
call_rhs=rhs,rhs_method,lhs
if(
rhs_typeisnot_MISSING#Dowecare?
andrhs_typeisnotlhs_type#CouldRHSbeasubclass?
andissubclass(rhs_type,lhs_type)#RHSisasubclass!
andlhs_rmethodisnotrhs_method#Is__r*__actuallydifferent?
):
calls=call_rhs,call_lhs
eliflhs_typeisnotrhs_type:
calls=call_lhs,call_rhs
else:
calls=(call_lhs,)
forfirst_obj,meth,second_objincalls:
ifmethis_MISSING:
continue
value=meth(first_obj,second_obj)
ifvalueisnotNotImplemented:
returnvalue
else:
exc=TypeError(
f"unsupportedoperandtype(s)for{operator}:{lhs_type!r}and{rhs_type!r}"
)
exc._binary_op=operator
raiseexc
有了这段代码，你可以将减法运算定义为_create_binary_op(“sub”,“-”)，然后根据需要重复定义出其它运算。
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。
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