Python 为什么能支持任意的真值判断?

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发布于: 2020 年 09 月 05 日
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:





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:





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:





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):







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):





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:





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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本文属于“Python为什么”系列(Python猫出品),该系列主要关注 Python 的语法、设计和发展等话题,以一个个“为什么”式的问题为切入点,试着展现 Python 的迷人魅力。所有文章将会归档在 Github 上,项目地址:https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo



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Python猫作者,一个Python爱好者 2018.08.07 加入

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