PyStringObject 結(jié)構(gòu)體
Python 中的字符串對象在內(nèi)部對應(yīng)一個(gè)名叫 PyStringObject 的結(jié)構(gòu)體。“ob_shash” 對應(yīng)字符串經(jīng)計(jì)算過的 hash值， “ob_sval” 指向一段長度為 “ob_size” 的字符串，且該字符串以‘null'結(jié)尾（為了兼容C）。“ob_sval”的初始大小為1個(gè)字節(jié)，且 ob_sval[0]=0（對應(yīng)空字符串）。若你還想知道“ob_size”被定義的位置，可以看一看 object.h 頭文件中 PyObject_VAR_HEAD 對應(yīng)部分。“ob_sstate” 用來指示某個(gè)字符串是否已經(jīng)存在于intern機(jī)制對應(yīng)的字典中，后面我們會再次提到這一點(diǎn)。
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typedef struct { PyObject_VAR_HEAD long ob_shash; int ob_sstate; char ob_sval[1];} PyStringObject; |
字符串對象的創(chuàng)建
如下所示，當(dāng)將一個(gè)新的字符串賦給一個(gè)變量時(shí)，發(fā)生了什么？
1>>> s1 = 'abc'
運(yùn)行以上代碼時(shí)，內(nèi)部的 C 函數(shù) “PyString_FromString” 將被調(diào)用并生成類似下面的偽代碼：
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arguments: string object: 'abc'returns: Python string object with ob_sval = 'abc'PyString_FromString(string): size = length of string allocate string object + size for 'abc'. ob_sval will be of size: size + 1 copy string to ob_sval return object |
每次用到新的字符串時(shí)，都將分配一個(gè)字符串對象。
共享字符串對象
Python 有一個(gè)優(yōu)雅的特性，就是變量之間的短字符串是共享的，這一特性可以節(jié)省所需的內(nèi)存空間。短字符串就是那些長度為 0 個(gè)或者 1 個(gè)字節(jié)的字符串。而全局變量 “interned” 對應(yīng)一個(gè)用于索引這些短字符串的字典。數(shù)組 “characters” 也可用于索引那些長度為 1 個(gè)字節(jié)的字符串，比如單個(gè)字母。后面我們將看到數(shù)組 “characters” 是如何被使用的。
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static PyStringObject *characters[UCHAR_MAX + 1];static PyObject *interned; |
下面一起看看：當(dāng)你在 Python 腳本中將一個(gè)短字符串賦值給一個(gè)變量時(shí)，背后發(fā)生了哪些事情。
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static PyStringObject *characters[UCHAR_MAX + 1];static PyObject *interned; |
內(nèi)容為 ‘a' 的字符串對象將被添加到 “interned” 字典中。字典中鍵（key）是一個(gè)指向該字符串對象的指針，而對應(yīng)的值 就是一個(gè)相同的指針。在數(shù)組 “characters” 中，這一新的字符串對象在偏移量為 97 的位置被引用，因?yàn)樽址?‘a' 的ASCII碼值便是 97。變量 “s2” 也指向了這一字符串對象。
而，當(dāng)另外一個(gè)變量也被相同的字符串 ‘a' 賦值時(shí)，又會如何呢？
1>>> s3 = 'a'
上述代碼執(zhí)行后，將返回之前已創(chuàng)建的內(nèi)容相同的字符串對象。因此，‘s1' 和 ‘s3' 兩個(gè)變量都將指向同一個(gè)字符串對象。 數(shù)組 “characters” 便是用于檢測字符串 ‘a' 是否已經(jīng)存在，若存在，則返回指向該字符串對象的指針。
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if (size == 1 && (op = characters[*str & UCHAR_MAX]) != NULL){ ... return (PyObject *)op;} |
下面我們新建一個(gè)內(nèi)容為 ‘c' 的短字符串：
1>>> s4 = 'c'
那么，我們將得到如下結(jié)果：
我們還能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按照下面 Python 腳本中的方式對一個(gè)字符串元素進(jìn)行訪問時(shí)，數(shù)組 “characters” 仍有用武之地。
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>>> s5 = 'abc'>>> s5[0]'a' |
上面第二行代碼中，返回的是數(shù)組 “characters” 偏移量為 97 的位置內(nèi)的指針元素，而非新建一個(gè)值為 ‘a'的字符串。當(dāng)我們訪問某個(gè)字符串中的元素時(shí)，一個(gè)名叫 “string_item” d的函數(shù)將被調(diào)用，下方給出了函數(shù)體代碼。其中，參數(shù) ‘a' 便對應(yīng)著字符串 “abc”，而參數(shù) ‘i' 便是訪問數(shù)組的索引值（本例中便為 0 ），函數(shù)返回的是指向某個(gè)字符串對象的指針。
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static PyObject *string_item(PyStringObject *a, register Py_ssize_t i){ char pchar; PyObject *v; ... pchar = a->ob_sval[i]; v = (PyObject *)characters[pchar & UCHAR_MAX]; if (v == NULL) // allocate string else { ... Py_INCREF(v); } return v;} |
數(shù)組 “characters” 也可用于函數(shù)名長度為 1 時(shí)的情形，如下所示：
>>> def a(): pass
字符串查找
下面看看，當(dāng)你在如下 Python 代碼中進(jìn)行字符串查找操作時(shí)，又會有那些事情發(fā)生呢？
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>>> s = 'adcabcdbdabcabd'>>> s.find('abcab')>>> 11 |
函數(shù) “find” 返回一個(gè)索引值，說明是在字符串 “abcd” 的哪個(gè)位置找到字符串 “s” 的。若字符串未找到，函數(shù)返回值為 -1。
那么，內(nèi)部到底干了些啥事情？內(nèi)部調(diào)用了一個(gè)名為 “fastsearch” 的函數(shù)。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)介于 BoyerMoore 和 Horspool 算法之間的混合版本，它兼具兩者的優(yōu)良特性。
我們將 “s”（s = ‘adcabcdbdabcabd'）稱作主字符串，而將 “p”（p = ‘abcab'）稱作模式串。n 和 m 分別表示字符串 s 和 字符串 p 的長度，其中，n = 15, m = 5。
在如下代碼段中，明顯看到，程序?qū)⑦M(jìn)行首次判定：若 m > n,我們就知道必然不能找到這樣的索引號，因此函數(shù)直接返回 -1 即可。
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w = n - m;if (w < 0) return -1; |
當(dāng) m = 1 時(shí)，程序便在字符串 s 中一個(gè)個(gè)字符地進(jìn)行遍歷，若匹配成功則返回對應(yīng)的索引位置。在本例中，變量 mode 值為 FAST_SEARCH，意味著我們想獲取的是在主字符串中首次匹配的位置，而非模式串在主字符串中成功匹配的次數(shù)。
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if (m <= 1) { ... if (mode == FAST_COUNT) { ... } else { for (i = 0; i < n; i++) if (s[i] == p[0]) return i; } return -1;} |
考慮其他情況，比如 m > 1。首先創(chuàng)建一個(gè)壓縮的boyer-moore delta 1 table（對應(yīng)BM算法中的壞字符規(guī)則）,在此過程中需要聲明兩個(gè)變量：“mask” 和 “skip”。
“mask” 是一個(gè) 32 位的位掩碼（bitmask），將其最低的 5 個(gè)特征位作為開關(guān)位。該掩碼是通過和模式串 “p” 進(jìn)行操作產(chǎn)生的。它設(shè)計(jì)成一個(gè)布隆過濾器（bloom filter），用于檢測一個(gè)字符是否出現(xiàn)在當(dāng)前字符串中。這種機(jī)制使查找操作十分迅速，但是存在偽正的情況（false positives）。關(guān)于布隆過濾器，你想有更多了解的話可以看看 這里 。對于本例，下方說明了位掩碼具體是如何產(chǎn)生的。
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mlast = m - 1/* process pattern[:-1] */for (mask = i = 0; i < mlast; i++) { mask |= (1 << (p[i] & 0x1F));}/* process pattern[-1] outside the loop */mask |= (1 << (p[mlast] & 0x1F)); |
字符串 “p” 的第一個(gè)字符為 ‘a'。字符‘a'的二進(jìn)制表示為 97 = 1100001。保留最低的 5 個(gè)特征位，我們得到了 00001，因此變 “mask” 初次被設(shè)定為 10（1 << 1）。當(dāng)整個(gè)字符串 “p” 都經(jīng)過處理后，mask 值為 1110。那么，我們應(yīng)該如何使用這個(gè)位掩碼呢？通過下方這行代碼，我們用其來檢測字符 “c” 位于字符串 “p” 哪個(gè)位置。
if ((mask & (1 << (c & 0x1F))))
那么，字符 ‘a' 在字符串 “p”（‘abcab'）中是否存在呢？1110 & (1 << (‘a' & 0X1F)) 運(yùn)算結(jié)果的值是否為 true 呢？由于 1110 & (1 << (‘a' & 0X1F)) = 1110 & 10 = 10，可知 ‘a' 確實(shí)存在于 ‘abcab'。當(dāng)檢測字符 ‘d'時(shí)，我們得到的是 false，對于其他字符（從 ‘e' 到 ‘z'）也是同樣結(jié)果。因此，在本例中此類過濾器表現(xiàn)十分出眾。 變量 “skip” 對應(yīng)目標(biāo)字符在主字符串中最后一個(gè)成功匹配的字符的索引位置（從后向前匹配）。假若模式串的最后一個(gè)匹配字符在主字符串中不存在，則 “skip” 值為 模式串 “p” 的長度減去 1。本例中，模式串最后一個(gè)為匹配字符位 ‘b',由于其在主串查找的當(dāng)前位置向后跳兩個(gè)字符后能夠匹配到，因此變量 “skip” 的值為2。這個(gè)變量應(yīng)用于一種名叫壞字符跳躍（bad-character skip）的規(guī)則。在如下示例中，p = ‘abcab'，s = ‘adcabcaba'。從主串 “s” 的 4 號索引位置（從 0 開始計(jì)算）開始匹配，若字符匹配成功則向前繼續(xù)匹配。第一個(gè)匹配失敗的索引位置為 1（此處 ‘b' 不等于 ‘d'）。我們可以看到，在模式串和主串最開始匹配的末端位置往后數(shù)三個(gè)字符，主串中也有一個(gè) ‘b',而字符 ‘c' 也存在于 “p” 中，因此我們跳過了隨后的 ‘b'。
下面，看下查找操作的循環(huán)部分（真實(shí)代碼為 C 實(shí)現(xiàn)，而非 Python）：
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for i = 0 to n - m = 13: if s[i+m-1] == p[m-1]: if s[i:i+mlast] == p[0:mlast]: return i if s[i+m] not in p: i += m else: i += skip else: if s[i+m] not in p: i += mreturn -1 |
“s[i+m] not in p” 這行測試代碼是基于位掩碼實(shí)現(xiàn)的，“i += skip” 便對應(yīng)壞字符跳躍。當(dāng)主串下一個(gè)待匹配的字符在 “p” 中并未找到時(shí)，則執(zhí)行 “i += m” 這行代碼。
下面來看看，對于字符串 “p” 和 “s” 的匹配，算法具體是如何運(yùn)行的。前三個(gè)步驟與上面類似，接著，字符 ‘d' 在字符串 “p” 并未找到，因此我們直接跳過等于“p”字符串長度的字符數(shù)，之后便迅速找到了一個(gè)匹配。
以上就是帶領(lǐng)大家深入了解Python字符串對象實(shí)現(xiàn)的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，希望對大家學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)有所幫助。
