Python 为什么能支持任意的真值判断?

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Python 在涉及真值判断(Truth Value Testing)时,语法很简便。

比如,在判断某个对象是否不为 None 时,或者判断容器对象是否不为空时,并不需要显示地写出判断条件,只需要在 if 或 while 关键字后面直接写上该对象即可。

下图以列表为例,if my_list 这个简短的写法可以表达出两层意思:

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图

如果需要作出相反的判断,即“如果为 None 或为空”,只需要写成if not my_list 即可。

与众不同的真值判断方式

通常而言,当一个值本身是布尔类型时,写成”if xxx“(如果真),在语义上就很好理解。如果 xxx 本身不是布尔类型时,写成“if xxx”(如果某东西),则在语义上并不好理解。

在 C/C++/Java 之类的静态语言中,通常要先基于 xxx 作一个比较操作,比如“if (xxx == null)”,以此得到一个布尔类型的值的结果,然后再进行真值判断。否则的话,若“if xxx”中有非布尔类型的值,则会报类型错误。

Python 这门动态语言在这种场景中表现出了一种灵活性,那么,我们的问题来了:为什么 Python 不需要先做一次比较操作,直接就能对任意对象作真值判断呢?

先来看看文档 中对真值判断的描述:

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(1)

简单而言,Python 的任何对象都可以用在 if 或 while 或布尔操作(and、or、not)中,默认情况下认为它是 true,除非它有__bool__() 方法返回False 或者有__len__() 方法返回0

对于前面的例子,my_list 没有__bool__() 方法,但是它有__len__() 方法,所以它是否为 true,取决于这个方法的返回值。

真值判断的字节码

接着,我们继续刨根问底:Python 为什么可以支持如此宽泛的真值判断呢?在执行if xxx 这样的语句时,它到底在做些什么?

对于第一个问题,Python 有个内置的 bool() 类型,可以将任意对象转化成布尔值。那么,这是否意味着 Python 在进行真值判断时,会隐式地 调用 bool() 呢(即转化成if bool(xxx))?(答案为否,下文有分析)

对于第二个问题,可以先用dis 模块来查看下:

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(2)

POP_JUMP_IF_FALSE指令对应的是 if 语句那行,它的含义是:

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

如果栈顶元素为 false,则跳转到目标位置。

这里只有跳转动作的描述,仍看不到一个普通对象是如何变成布尔对象的。

Python 在解释器中到底是如何实现真值判断的呢?

真值判断的源码实现

在微信群友 Jo 的帮助下,我找到了 CPython 的源码(文件:ceval.c、object.c):

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(3)

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(4)

可以看出,对于布尔类型的对象(即 Py_True 和 Py_False),代码会进入到快速处理的分支;而对于其它对象,则会用 PyObject_IsTrue() 计算出一个 int 类型的值。

PyObject_IsTrue() 函数在计算过程中,依次会获取 nb_bool、mp_length 和 sq_length 的值,对应的应该就是 __bool__() 和 __len__() 这两个魔术方法的返回值。

这个过程就是前文中所引用的官方文档的描述,正是我们想要找的答案!

另外,对于内置的 bool(),它的核心实现逻辑正是上面的 PyObject_IsTrue() 函数,源码如下(boolobject.c):

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(5)

所以,Python 在对普通对象作真值判断时,并没有隐式地调用 bool(),相反它调用了一个独立的函数(PyObject_IsTrue()),而这个函数又被 bool() 所使用。

也就是说,bool() 与 if/while 语句对普通对象的真值判断,事实上是基本相同的处理逻辑。 知道了原理,就会明白if bool(xxx) 这种写法是多此一举的了(我曾见到过)。

至此,我们已经回答了前文中提出的问题。

验证真值判断的过程

接下来,有 3 个测试例子,可以作进一步的验证:

Python 为什么能支持任意的真值判断?插图(6)

你可以暂停而思考下:bool(Test1)bool(Test1()) 各是什么结果?然后依次判断剩下的两个类,结果又会是什么?

揭晓答案:

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

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

原因如下:

  • 类对象没被实例化时,bool() 不会调用它的 __bool__() 或 __len__() 这两个魔术方法
  • 类对象被实例化后,若同时存在 __bool__() 或 __len__() 魔术方法,则 bool() 会先调用 __bool__() 方法(PS:这个方法要求返回值必须为 bool 类型,因此只要有它,就必然不需要再用__len__() 方法来判断真假)

数字类型如何作真值判断?

除了这 3 个例子,还有一种情况值得验证,那就是对于数字类型,它们是怎么做真值判断的呢?

我们可以验证一下数字类型是否拥有那两个魔术方法:

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

不难验证出,数字拥有的是 __bool__() 魔术方法,并没有__len__() 魔术方法,而且所有类型的数字其实被分成了两类:

  • __bool__() 返回 False:所有表示 0 的数字,例如0, 0.0, 0j, Decimal(0), Fraction(0, 1)
  • __bool__() 返回 True:所有其它非 0 的数字

文章小结

Python 中if xxx 这种简便的写法,虽然是正规的真值判断语法,并它但并不符合常规的语义。在 C/C++/Java 之类的语言中,要么 xxx 本身是布尔类型的值,要么是一种可返回布尔类型值的操作,但是在 Python 中,这个“xxx”竟然还可以是任意的 Python 对象!

本文通过对文档、字节码和 CPython 解释器的源码逐步分析,发现了 Python 的真值判断过程并不简单,可以提炼出以下的几个要点:

  • if/while 是隐性的布尔操作符: 它们除了有“判断”真假的作用,还具有隐式地将普通对象计算出布尔结果的功能。实际的操作是解释器根据“POP_JUMP_IF_FALSE”指令来完成的,其核心逻辑跟内置的 bool() 是共用了一个底层方法
  • 真值判断过程依赖两个魔术方法: 除非被判断对象有__bool__() 方法返回False 或者有__len__() 方法返回0 ,否则布尔操作的结果都是 True。两个魔术方法总是会先计算__bool__()
  • 数字类型也可做真值判断: 数字有__bool__() 魔术方法,但没有__len__() 魔术方法,除了表示 0 的数字为 False,其它数字都为 True

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