详解增强算术赋值:“-=”操作是怎么实现的?

花下猫语: 本篇译文仍是 Brett 大佬的“Python语法糖”系列,他在演示“-=”操作的实现时,竟发现 CPython 的一个 bug,顺手就修复了,这才是大佬……

原题 | Unravelling augmented arithmetic assignment

作者 | Brett Cannon

译者 | 豌豆花下猫(“Python猫”公众号作者)

声明 | 本翻译是出于交流学习的目的,基于 CC BY-NC-SA 4.0 授权协议。为便于阅读,内容略有改动。

序言

本文是 Python语法糖 系列文章之一。最新的源代码可以在 desugar 项目中找到(https://github.com/brettcanno...)。

介绍

Python 有一种叫做增强算术赋值(augmented arithmetic assignment)的东西。可能你不熟悉这个叫法,其实就是在做数学运算的同时进行赋值,例如 a -= b 就是减法的增强算术赋值。

增强赋值是在 Python 2.0 版本中 加入进来的。(译注:在 PEP-203 中引入)

剖析-=

因为 Python 不允许覆盖式赋值,所以相比其它有特殊/魔术方法的操作,它实现增强赋值的方式可能跟你想象的不完全一样。

首先,要知道a -= b在语义上与 a = a-b 相同。但也要意识到,如果你预先知道要将一个对象赋给一个变量名,相比a - b 的盲操作,就可能会更高效。

例如,最起码的好处是可以避免创建一个新对象:如果可以就地修改一个对象,那么返回 self,就比重新构造一个新对象要高效。

因此,Python 提供了一个__isub__() 方法。如果它被定义在赋值操作的左侧(通常称为 lvalue#lrvalue)),则会调用右侧的值(通常称为 rvalue )。所以对于a -= b ,就会尝试去调用 a.__isub__(b)。

如果调用的结果是 NotImplemented,或者根本不存在结果,那么 Python 会退回到常规的二元算术运算a - b。(译注:作者关于二元运算的文章,译文在此

最终无论用了哪种方法,返回值都会被赋值给 a。

下面是简单的伪代码,a -= b 被分解成:

# 实现 a -= b 的伪代码
if hasattr(a, "__isub__"):
    _value = a.__isub__(b)
    if _value is not NotImplemented:
        a = _value
    else:
        a = a - b
    del _value
 else:
     a = a - b

归纳这些方法

由于我们已经实现了二元算术运算,因此归纳增强算术运算并不太复杂。

通过传入二元算术运算函数,并做一些自省(以及处理可能发生的 TypeError),它可以被漂亮地归纳成:

def _create_binary_inplace_op(binary_op: _BinaryOp) -> Callable[[Any, Any], Any]:

    binary_operation_name = binary_op.__name__[2:-2]
    method_name = f"__i{binary_operation_name}__"
    operator = f"{binary_op._operator}="

    def binary_inplace_op(lvalue: Any, rvalue: Any, /) -> Any:
        lvalue_type = type(lvalue)
        try:
            method = debuiltins._mro_getattr(lvalue_type, method_name)
        except AttributeError:
            pass
        else:
            value = method(lvalue, rvalue)
            if value is not NotImplemented:
                return value
        try:
            return binary_op(lvalue, rvalue)
        except TypeError as exc:
            # If the TypeError is due to the binary arithmetic operator, suppress
            # it so we can raise the appropriate one for the agumented assignment.
            if exc._binary_op != binary_op._operator:
                raise
        raise TypeError(
            f"unsupported operand type(s) for {operator}: {lvalue_type!r} and {type(rvalue)!r}"
        )

    binary_inplace_op.__name__ = binary_inplace_op.__qualname__ = method_name
    binary_inplace_op.__doc__ = (
        f"""Implement the augmented arithmetic assignment `a {operator} b`."""
    )
    return binary_inplace_op

这使得定义的 -= 支持 _create_binary_inplace_op(__ sub__),且可以推断出其它内容:函数名、调用什么 __i*__ 函数,以及当二元算术运算出问题时,该调用哪个可调用对象。

我发现几乎没有人使用**=

在写本文的代码时,我碰上了 **= 的一个奇怪的测试错误。在所有确保 __pow__ 会被适当地调用的测试中,有个测试用例对于 Python 标准库中的operator 模块却是失败。

我的代码通常没问题,如果代码与 CPython 的代码之间存在差异,通常会意味着是我哪里出错了。

但是,无论我多么仔细地排查代码,我都无法定位出为什么我的测试会通过,而标准库则失败。

我决定深入地了解 CPython 内部发生了什么。从反汇编字节码开始:

>>> def test(): a **= b
... 
>>> import dis
>>> dis.dis(test)
  1           0 LOAD_FAST                0 (a)
              2 LOAD_GLOBAL              0 (b)
              4 INPLACE_POWER
              6 STORE_FAST               0 (a)
              8 LOAD_CONST               0 (None)
             10 RETURN_VALUE

通过它,我找到了在 eval 循环中的INPLACE_POWER

        case TARGET(INPLACE_POWER): {
            PyObject *exp = POP();
            PyObject *base = TOP();
            PyObject *res = PyNumber_InPlacePower(base, exp, Py_None);
            Py_DECREF(base);
            Py_DECREF(exp);
            SET_TOP(res);
            if (res == NULL)
                goto error;
            DISPATCH();
        }

出处:https://github.com/python/cpy...

然后找到PyNumber_InPlacePower()

PyObject *
PyNumber_InPlacePower(PyObject *v, PyObject *w, PyObject *z)
{
    if (v->ob_type->tp_as_number &&
        v->ob_type->tp_as_number->nb_inplace_power != NULL) {
        return ternary_op(v, w, z, NB_SLOT(nb_inplace_power), "**=");
    }
    else {
        return ternary_op(v, w, z, NB_SLOT(nb_power), "**=");
    }
}

出处:https://github.com/python/cpy...

松了口气~代码显示如果定义了__ipow__,则会调用它,但是只在没有__ipow__ 时,才会调用__pow__。

然而,正确的做法应该是:如果调用__ipow__ 时出问题,返回了 NotImplemented 或者根本不存在返回,那么就应该调用 __pow__ 和__rpow__。

换句话说,当存在__ipow__ 时,以上代码会意外地跳过 a**b 的后备语义!

实际上,大约11个月前,这个问题被部分地发现,并提交了 bug。我修复了该问题,并在 python-dev 上作了说明。

截至目前,这似乎会在 Python 3.10 中修复,我们还需要在 3.8 和 3.9 的文档中添加关于 **= 有 bug 的通知(该问题可能很早就有了,但较旧的 Python 版本已处于仅安全维护模式,因此文档不会变更)。

修复的代码很可能不会被移植,因为它是语义上的变化,并且很难判断是否有人意外地依赖了有问题的语义。但是这个问题花了很长时间才被注意到,这就表明 **= 的使用并不广泛,否则问题早就被发现了。

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