Python中的整数类型是不可变对象，为了提高python运行效率，内部实现了小整数对象池（数组实现），和通用整数缓冲池（单链表实现）。小整数是可以复用的，而通用整数是即使数值相同也会创建两个不同的整数对象。
1.PyIntObject
该结构仅适用Python2版本，该版本下数字长度大于long型时，对象类型会转变为PyLongObject
PyIntObject结构：
[intobject.h]
typedef struct {
PyObject_HEAD //标准PyObject头
long ob_ival; //实际存储数值得变量
} PyIntObject;
整数对象的创建：
提供了三种创建方式，分类为long型创建或从字符串创建，但从字符串创建最终还是需要调用long型创建方式
PyObject *PyInt_FromLong(long ival) //从long整数创建
PyObject* PyInt_FromString(char *s, char **pend, int base) //从ASCII字符串创建
#ifdef Py_USING_UNICODE
PyObject*PyInt_FromUnicode(Py_UNICODE *s, int length, int base) //从Unicode字符串创建
#endif
整数对象相减：
[intobject.h]
#define PyInt_AS_LONG(op) (((PyIntObject *)(op))->ob_ival)
//宏，牺牲类型安全，换取执行效率
[intobject.c]
#define CONVERT_TO_LONG(obj, lng) \
if (PyInt_Check(obj)) { \
lng = PyInt_AS_LONG(obj); \
} \
else { \
Py_INCREF(Py_NotImplemented); \
return Py_NotImplemented; \
}
static PyObject *
int_sub(PyIntObject *v, PyIntObject *w)
{
register long a, b, x;
CONVERT_TO_LONG(v, a);
CONVERT_TO_LONG(w, b);
x = a - b;
if ((x^a) >= 0 || (x^~b) >= 0) //溢出检查
return PyInt_FromLong(x);//此处印证了Python中整数对象是一个不可变对象
return PyLong_Type.tp_as_number->nb_subtract((PyObject *)v,
(PyObject *)w); //若溢出会将返回一个PyLongObject
}
2.小整数对象
在编程中小整数对象使用频率很高（如循环标记），而从上文中我们已经得知Python中整数对象是不可变对对象，若没有特殊的方法处理，会导致频繁创建小整数对象，严重影响运行效率和浪费内存。
在python内部通过创建一个PyIntObject *的数组small_ints来优化这个情况, 数组默认范围为[-5,257)
[intobject.c]
#ifndef NSMALLPOSINTS
#define NSMALLPOSINTS 257 //正数
#endif
#ifndef NSMALLNEGINTS
#define NSMALLNEGINTS 5 //负数
#endif
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
static PyIntObject *small_ints[NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS];
#endif
3.通用整数对象
对于小整数以外的其他整数，python内部使用多个“预先”分配的内存块来缓存这些整数对象，每一个内存块称为一个block_list, 未使用的空间使用free_list穿起来
[intobject.c]
#define BLOCK_SIZE 1000 /* 1K less typical malloc overhead */
#define BHEAD_SIZE 8 /* Enough for a 64-bit pointer */
#define N_INTOBJECTS ((BLOCK_SIZE - BHEAD_SIZE) / sizeof(PyIntObject))
struct _intblock {
struct _intblock *next;
PyIntObject objects[N_INTOBJECTS]; //PyIntObject数组，用以存储整数
};
typedef struct _intblock PyIntBlock;
static PyIntBlock *block_list = NULL;
static PyIntObject *free_list = NULL;
4.整数对象的创建与删除
整数对象的创建：
[intobject.c]
PyObject* PyInt_FromLong(long ival)
{
register PyIntObject *v;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
//判断小整数对象池是否激活
if (-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS) { //尝试使用小整数对象池
v = small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
Py_INCREF(v);
return (PyObject *) v;
}
#endif
if (free_list == NULL) {//当前block_list无空闲，需要申请新的PyIntBlock
if ((free_list = fill_free_list()) == NULL)
return NULL;
}
//使用通用整数对象池
v = free_list;
free_list = (PyIntObject *)v->ob_type;
PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
v->ob_ival = ival;
return (PyObject *) v;
}
整数对象的删除：
对整数对象进行删除时，实际上是将该对象加入到free_list链表中，以便整型对象的缓冲，避免频繁的malloc操作
static void
int_dealloc(PyIntObject *v)
{
if (PyInt_CheckExact(v)) {
/*将该整型对象加入到free_list链表中*/
Py_TYPE(v) = (struct _typeobject *)free_list;
free_list = v;
}
else
Py_TYPE(v)->tp_free((PyObject *)v);//若为整型派生对象则仅调用指定的tp_free()
}
小整数对象池的初始化：
在Python虚拟机初始化时_PyInt_Init会被调用，创建小整数缓冲池
int
_PyInt_Init(void)
{
PyIntObject *v;
int ival;
#if NSMALLNEGINTS + NSMALLPOSINTS > 0
/* 小整数对象仍在block_list中创建，只是将创建后的对象地址存入对应位置small_ints中 */
for (ival = -NSMALLNEGINTS; ival < NSMALLPOSINTS; ival++) {
if (!free_list && (free_list = fill_free_list()) == NULL)
return 0;
v = free_list;
free_list = (PyIntObject *)Py_TYPE(v);
(void)PyObject_INIT(v, &PyInt_Type);
v->ob_ival = ival;
small_ints[ival + NSMALLNEGINTS] = v;//指针存入small_ints
}
#endif
return 1;
}
fill_free_list实现:
当free_list为NULL时创建新的整数对象，会触发fill_free_list操作，将malloc一个PyIntBlock，并将内部的object数组中每个整数对象，通过ob_type作为后继（牺牲掉类型安全）形成单链表关系
[object.h]
#define Py_TYPE(ob) (((PyObject*)(ob))->ob_type)
[intobject.c]
static PyIntObject *
fill_free_list(void)
{
PyIntObject *p, *q;
/* Python's object allocator isn't appropriate for large blocks. */
p = (PyIntObject *) PyMem_MALLOC(sizeof(PyIntBlock));
if (p == NULL)
return (PyIntObject *) PyErr_NoMemory();
((PyIntBlock *)p)->next = block_list; //将新block的next链接到旧block_list上
block_list = (PyIntBlock *)p; //另新block为block_list头结点
p = &((PyIntBlock *)p)->objects[0];
q = p + N_INTOBJECTS;
while (--q > p)
Py_TYPE(q) = (struct _typeobject *)(q-1); //创建block内部空闲整数对象间连接关系
Py_TYPE(q) = NULL;
return p + N_INTOBJECTS - 1;
}
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