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Python 為什麼能支援任意的真值判斷?

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Python 在涉及

真值判斷

(Truth Value Testing)時,文法很簡便。

比如,在判斷某個對象是否不為 None 時,或者判斷容器對象是否不為空時,并不需要顯示地寫出判斷條件,隻需要在 if 或 while 關鍵字後面直接寫上該對象即可。

下圖以清單為例,

if my_list

這個簡短的寫法可以表達出兩層意思:

如果需要作出相反的判斷,即“如果為 None 或為空”,隻需要寫成

if not my_list

即可。

與衆不同的真值判斷方式

通常而言,當一個值本身是布爾類型時,寫成"if xxx"(如果真),在語義上就很好了解。如果 xxx 本身不是布爾類型時,寫成“if xxx”(如果某東西),則在語義上并不好了解。

在 C/C++/Java 之類的

靜态語言

中,通常要先基于 xxx 作一個比較操作,比如“if (xxx == null)”,以此得到一個布爾類型的值的結果,然後再進行真值判斷。否則的話,若“if xxx”中有非布爾類型的值,則會報類型錯誤。

Python 這門

動态語言

在這種場景中表現出了一種靈活性,那麼,我們的問題來了:為什麼 Python 不需要先做一次比較操作,直接就能對任意對象作真值判斷呢?

先來看看文檔 中對真值判斷的描述:

簡單而言,Python 的任何對象都可以用在 if 或 while 或布爾操作(and、or、not)中,預設情況下認為它是 true,除非它有__bool__() 方法傳回

False

或者有__len__() 方法傳回

對于前面的例子,my_list 沒有__bool__() 方法,但是它有__len__() 方法,是以它是否為 true,取決于這個方法的傳回值。

真值判斷的位元組碼

接着,我們繼續刨根問底:Python 為什麼可以支援如此寬泛的真值判斷呢?在執行

if xxx

這樣的語句時,它到底在做些什麼?

對于第一個問題,Python 有個内置的 bool() 類型,可以将任意對象轉化成布爾值。那麼,這是否意味着 Python 在進行真值判斷時,會

隐式地

調用 bool() 呢(即轉化成

if bool(xxx)

)?(答案為否,下文有分析)

對于第二個問題,可以先用

dis

子產品來檢視下:

POP_JUMP_IF_FALSE

指令對應的是 if 語句那行,它的含義是:

If TOS is false, sets the bytecode counter to target. TOS is popped.

如果棧頂元素為 false,則跳轉到目标位置。

這裡隻有跳轉動作的描述,仍看不到一個普通對象是如何變成布爾對象的。

Python 在解釋器中到底是如何實作真值判斷的呢?

真值判斷的源碼實作

在微信群友 Jo 的幫助下,我找到了 CPython 的源碼(檔案:ceval.c、object.c):

可以看出,對于布爾類型的對象(即 Py_True 和 Py_False),代碼會進入到快速處理的分支;而對于其它對象,則會用 PyObject_IsTrue() 計算出一個 int 類型的值。

PyObject_IsTrue() 函數在計算過程中,依次會擷取 nb_bool、mp_length 和 sq_length 的值,對應的應該就是 __bool__() 和 __len__() 這兩個魔術方法的傳回值。

這個過程就是前文中所引用的官方文檔的描述,正是我們想要找的答案!

另外,對于内置的 bool(),它的核心實作邏輯正是上面的 PyObject_IsTrue() 函數,源碼如下(boolobject.c):

是以,Python 在對普通對象作真值判斷時,并沒有隐式地調用 bool(),相反它調用了一個獨立的函數(PyObject_IsTrue()),而這個函數又被 bool() 所使用。

也就是說,bool() 與 if/while 語句對普通對象的真值判斷,事實上是基本相同的處理邏輯。 知道了原理,就會明白

if bool(xxx)

這種寫法是多此一舉的了(我曾見到過)。

至此,我們已經回答了前文中提出的問題。

驗證真值判斷的過程

接下來,有 3 個測試例子,可以作進一步的驗證:

你可以暫停而思考下:

bool(Test1)

bool(Test1())

各是什麼結果?然後依次判斷剩下的兩個類,結果又會是什麼?

揭曉答案:

bool(Test1)    # True
bool(Test2)    # True
bool(Test3)    # True

bool(Test1())  # True
bool(Test2())  # False
bool(Test3())  # True
           

原因如下:

  • 類對象沒被執行個體化時,bool() 不會調用它的 __bool__() 或 __len__() 這兩個魔術方法
  • 類對象被執行個體化後,若同時存在 __bool__() 或 __len__() 魔術方法,則 bool() 會先調用 __bool__() 方法(PS:這個方法要求傳回值必須為 bool 類型,是以隻要有它,就必然不需要再用__len__() 方法來判斷真假)

數字類型如何作真值判斷?

除了這 3 個例子,還有一種情況值得驗證,那就是對于數字類型,它們是怎麼做真值判斷的呢?

我們可以驗證一下數字類型是否擁有那兩個魔術方法:

hasattr(2020, "__bool__")
hasattr(2020, "__len__")
           

不難驗證出,數字擁有的是 __bool__() 魔術方法,并沒有__len__() 魔術方法,而且所有類型的數字其實被分成了兩類:

  • __bool__()

    傳回 False:所有表示 0 的數字,例如 ,

    0.0

    0j

    Decimal(0)

    Fraction(0, 1)

  • __bool__()

    傳回 True:所有其它非 0 的數字

文章小結

Python 中

if xxx

這種簡便的寫法,雖然是正規的真值判斷文法,并它但并不符合正常的語義。在 C/C++/Java 之類的語言中,要麼 xxx 本身是布爾類型的值,要麼是一種可傳回布爾類型值的操作,但是在 Python 中,這個“xxx”竟然還可以是任意的 Python 對象!

本文通過對文檔、位元組碼和 CPython 解釋器的源碼逐漸分析,發現了 Python 的真值判斷過程并不簡單,可以提煉出以下的幾個要點:

  • if/while 是隐性的布爾操作符: 它們除了有“判斷”真假的作用,還具有隐式地将普通對象計算出布爾結果的功能。實際的操作是解釋器根據“POP_JUMP_IF_FALSE”指令來完成的,其核心邏輯跟内置的 bool() 是共用了一個底層方法
  • 真值判斷過程依賴兩個魔術方法: 除非被判斷對象有__bool__() 方法傳回

    False

    ,否則布爾操作的結果都是 True。兩個魔術方法總是會先計算__bool__()
  • 數字類型也可做真值判斷: 數字有__bool__() 魔術方法,但沒有__len__() 魔術方法,除了表示 0 的數字為 False,其它數字都為 True

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