第 13 讲：函数与类实现——PyFunctionObject 与 PyTypeObject

大家好，我是正在实战各种 AI 项目的程序员晚枫。

函数和类在 C 层面是什么结构？Python 的对象系统是如何工作的？这一讲，彻底搞懂 Python 万物皆对象的本质。

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📖 开篇：一切皆对象

在 Python 中，函数、类、甚至类型本身都是对象：

print(type(1))           # <class 'int'>
print(type(int))         # <class 'type'>
print(type(type))        # <class 'type'>  type 是自己的类型！

# 函数也是对象
def foo():
    pass
print(type(foo))         # <class 'function'>
print(foo.__name__)      # 'foo'
print(foo.__code__)       # 代码对象

这种「一切皆对象」的设计，让 Python 拥有了强大的元编程能力。

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🔧 PyFunctionObject（函数对象）

函数在 C 层面的结构：

// Include/funcobject.h
typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *func_code;        // 代码对象（PyCodeObject）
    PyObject *func_globals;     // 全局命名空间（字典）
    PyObject *func_defaults;    // 默认参数（元组）
    PyObject *func_closure;     // 闭包变量（元组）
    PyObject *func_doc;         // 文档字符串
    PyObject *func_name;         // 函数名
    PyObject *func_dict;        // 实例字典（__dict__）
    PyObject *func_weakreflist;  // 弱引用列表
} PyFunctionObject;

验证函数对象

def greet(name, greeting="Hello"):
    return f"{greeting}, {name}!"

print(greet.__code__.co_varnames)    # ('name', 'greeting')  局部变量名
print(greet.__defaults__)            # ('Hello',)  默认参数值
print(greet.__globals__ is globals())# True  全局命名空间

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🏛️ PyTypeObject（类型对象）

type 本身也是一个类型，它的类型是 type：

print(isinstance(int, type))   # True
print(isinstance(str, type))   # True
print(isinstance(list, type))  # True

类型对象的核心结构

typedef struct _typeobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    const char *tp_name;        // 类型名称，如 "int"
    Py_ssize_t tp_basicsize;    // 实例的基础大小
    Py_ssize_t tp_itemsize;     // 变长对象的 item 大小

    // 核心方法
    destructor tp_dealloc;      // 销毁函数
    getattrfunc tp_getattr;     // 属性获取
    setattrfunc tp_setattr;     // 属性设置

    // 方法族（每种操作一组函数指针）
    PyNumberMethods *tp_as_number;    // 数值运算
    PySequenceMethods *tp_as_sequence; // 序列操作
    PyMappingMethods *tp_as_mapping;  // 映射操作

    // 其他功能
    hashfunc tp_hash;           // 哈希函数
    reprfunc tp_repr;           // repr() 返回的字符串
    traverseproc tp_traverse;    // GC 遍历
    inquiry tp_clear;            // GC 清除
} PyTypeObject;

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🔄 描述符协议（Descriptor）

描述符让属性访问可以被拦截：

class ReadOnly:
    # 手写一个 property 描述符
    def __init__(self, fget):
        self.fget = fget

    def __get__(self, obj, owner):
        if obj is None:
            return self
        return self.fget(obj)

    def __set__(self, obj, value):
        raise AttributeError("read-only")

class Circle:
    def __init__(self, radius):
        self._radius = radius

    @ReadOnly
    def radius(self):
        return self._radius

c = Circle(5)
print(c.radius)  # 5
c.radius = 10    # AttributeError: read-only

描述符的优先级

优先级（高到低）	类型
数据描述符	实现了 get 和 set/delete
实例属性	实例字典中的值
非数据描述符	只实现了 get
类属性	类字典中的值

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⚡ 元类（Metaclass）

元类是「类型的类型」：

# type() 既可以创建对象，也可以创建类
print(type(1))           # <class 'int'>
print(type(int))         # <class 'type'>

# 用 type() 创建类
MyClass = type('MyClass', (object,), {
    'x': 1,
    '__init__': lambda self, v: setattr(self, 'x', v)
})
obj = MyClass(42)
print(obj.x)             # 42

自定义元类

class Meta(type):
    def __new__(cls, name, bases, namespace):
        print(f"Creating class: {name}")
        namespace['created_by'] = 'Meta'
        return super().__new__(cls, name, bases, namespace)

class MyClass(metaclass=Meta):
    pass

# 输出: Creating class: MyClass
print(MyClass.created_by)  # Meta

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💡 本节作业

1. 用 inspect 模块查看任意函数的 code 属性
2. 手写一个 ReadOnly 描述符，防止属性被修改
3. 用 type() 函数（不用 class）创建一个带方法的类

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🎯 本讲总结

PyFunctionObject：函数对象的 C 结构体，包含代码、全局命名空间、默认参数等。

PyTypeObject：类型对象的 C 结构体，定义了创建实例的所有行为。

描述符协议：get__、__set__、__delete 控制属性访问。

元类：「类型的类型」，type(name, bases, dict) 是元类的底层实现。

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