上一篇翻译了一篇Python中使用__slots__达到节省内存的方法，今天就看一下Python内部是怎么实现__slots__这个功能的。
>>> class A(object):
... slots = ["v"]
...
>>> a = A()
>>> a.v = 1
>>> a.b = 1
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'A' object has no attribute 'b'
>>> type(A.v)
<type 'member_descriptor'>
上面这一段代码，Class A声明了__slots__参数，对实例a的v变量进行赋值没有问题，但对实例a的b变量赋值，则会有个AttributeError的异常发生。再仔细看看A.v，原来他是一个descriptor(有时间可以写一篇Python descriptor相关的文章，Python中很多功能的实现都离不开descriptor)！
那么，Python在构建Class A的时候到底都做了什么，我们慢慢地解析下去。
Class A的创建
Python中类的构建的相关字节码是BUILD_CLASS:
# in ceval.c
case BUILD_CLASS:
u = TOP();
v = SECOND();
w = THIRD();
STACKADJ(-2);
x = build_class(u, v, w);
SET_TOP(x);
Py_DECREF(u);
Py_DECREF(v);
Py_DECREF(w);
顺着这段起始代码顺藤摸瓜，最后会到命名为type_new的方法中去：
# in typeobject.c
static PyObject *
type_new(PyTypeObject *metatype, PyObject *args, PyObject *kwds) {
....
// dict 可以理解为你将要新建的类的locals，里面便含有__slots__字段
if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwds, "SO!O!:type", kwlist,
&name,
&PyTuple_Type, &bases,
&PyDict_Type, &dict))
return NULL;
....
// 获取__slots__参数
slots = PyDict_GetItemString(dict, "__slots__");
nslots = 0;
add_dict = 0; // 是否要加入__dict__
add_weak = 0; // 是否要加入__weakref__
if (slots == NULL) {
//... ignore
} else {
// 会对slots做一下处理，包括计算nslots，但不影响我们对slots实现的理解
}
// 为需要创建的类分配空间
type = (PyTypeObject *)metatype->tp_alloc(metatype, nslots);
....
// 转换指针，变为PyHeapTypeObject，PyHeapTypeObject和PyTypeObject的关系可以认为是包含关系，具体的细节可以再写一篇文章了
et = (PyHeapTypeObject *)type;
....
// 将slots相关的参数设置为members
mp = PyHeapType_GET_MEMBERS(et);
slotoffset = base->tp_basicsize;
if (slots != NULL) {
for (i = 0; i < nslots; i++, mp++) {
mp->name = PyString_AS_STRING(
PyTuple_GET_ITEM(slots, i));
mp->type = T_OBJECT_EX;
mp->offset = slotoffset;
....
slotoffset += sizeof(PyObject *);
}
}
....
type->tp_members = PyHeapType_GET_MEMBERS(et);
....
PyType_Ready(type);
....
}
上面我们忽略了一些不相干的代码，代码的主要逻辑就是将__slots__定义的内容放到type的末尾，并且让type的tp_members变量指向type的末尾，这些内容将会在PyType_Ready函数中用到。
这里忽略PyType_Ready的内容，只说明在PyType_Ready中会调用add_members方法，下面看一下add_members的实现：
# in typeobject.c
static int
add_members(PyTypeObject *type, PyMemberDef *memb) {
PyObject *dict = type->tp_dict;
for (; memb->name != NULL; memb++) {
PyObject *descr;
if (PyDict_GetItemString(dict, memb->name))
continue;
descr = PyDescr_NewMember(type, memb);
if (descr == NULL)
return -1;
if (PyDict_SetItemString(dict, memb->name, descr) < 0)
return -1;
Py_DECREF(descr);
}
return 0;
}
上面的代码逻辑还是很好理解的，将memb里面的内容（即slots的内容）创建为member_descriptor，加入到tp_dict里面去。
Class A的属性设置
实例的属性设置最终会在PyObject_GenericSetAttr方法中处理，PyObject_GenericSetAttr方法又会调用_PyObject_GenericSetAttrWithDict方法，我们来看一下_PyObject_GenericSetAttrWithDict方法到底怎么做的，才可以实现文章开始展示的效果。
int
_PyObject_GenericSetAttrWithDict(PyObject *obj, PyObject *name,
PyObject *value, PyObject *dict) {
PyTypeObject *tp = Py_TYPE(obj);
descr = _PyType_Lookup(tp, name);
f = NULL;
if (descr != NULL &&
PyType_HasFeature(descr->ob_type,Py_TPFLAGS_HAVE_CLASS)) {
f = descr->ob_type->tp_descr_set;
// 对于slots相关的参数将会进入下面的if语句
if (f != NULL && PyDescr_IsData(descr)) {
res = f(descr, obj, value);
goto done;
}
}
....
if (dict == NULL) {
// 对于不是slots提供的属性，尝试去obj自己的dict中查找，
// 但在构建类时，由于有__slots__属性，所以tp_dictoffset为0，
// 因此dictptr等于NULL
dictptr = _PyObject_GetDictPtr(obj);
if (dictptr != NULL) {
....
}
}
if (dict != NULL) {....}
if (f != NULL) {....}
if (descr == NULL) {
// 此时输出错误信息
PyErr_Format(PyExc_AttributeError,
"'%.100s' object has no attribute '%.200s'",
tp->tp_name, PyString_AS_STRING(name));
goto done;
}
....
}
对于slots定义的变量，会找到对应的descr，调用对应的set方法，对于slots没有定义的变量，最终会跑到抛出异常的那段逻辑。
总结
__slots__的实现还是比较好懂的，Python在构建类的时候，会检查__slots__变量是否存在，如果存在，为slots变量建立member_descriptor，并放入tp_dict里面，并且这个类的tp_dictoffset为0，它的实例将不会有自己的__dict__。
