深度剖析凭什么python中整型不会溢出

Python 2018-06-12

前言

本次分析基于 CPython 解释器,python3.x版本

在python2时代,整型有 int 类型和 long 长整型,长整型不存在溢出问题,即可以存放任意大小的整数。在python3后,统一使用了长整型。这也是吸引科研人员的一部分了,适合大数据运算,不会溢出,也不会有其他语言那样还分短整型,整型,长整型...因此python就降低其他行业的学习门槛了。

那么,不溢出的整型实现上是否可行呢?

不溢出的整型的可行性

尽管在 C 语言中,整型所表示的大小是有范围的,但是 python 代码是保存到文本文件中的,也就是说,python代码中并不是一下子就转化成 C 语言的整型的,我们需要重新定义一种数据结构来表示和存储我们新的“整型”。

怎么来存储呢,既然我们要表示任意大小,那就得用动态的可变长的结构,显然,数组的形式能够胜任:

[longintrepr.h]
struct _longobject {
    PyObject_VAR_HEAD
    int *ob_digit;
};

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长整型的保存形式

长整型在python内部是用一个 int 数组( ob_digit[n] )保存值的. 待存储的数值的低位信息放于低位下标, 高位信息放于高下标.比如要保存 123456789 较大的数字,但我们的int只能保存3位(假设):

ob_digit[0] = 789;
ob_digit[1] = 456;
ob_digit[2] = 123;

低索引保存的是地位,那么每个 int 元素保存多大的数合适?有同学会认为数组中每个int存放它的上限(2^31 - 1),这样表示大数时,数组长度更短,更省空间。但是,空间确实是更省了,但操作会代码麻烦,比方大数做乘积操作,由于元素之间存在乘法溢出问题,又得多考虑一种溢出的情况。

怎么来改进呢?在长整型的 ob_digit 中元素理论上可以保存的int类型有 32 位,但是我们只保存 15 位,这样元素之间的乘积就可以只用 int 类型保存即可, 结果做位移操作就能得到尾部和进位 carry 了,定义位移长度为 15

#define PyLong_SHIFT  15
#define PyLong_BASE ((digit)1 << PyLong_SHIFT)
#define PyLong_MASK ((digit)(PyLong_BASE - 1))

PyLong_MASK 也就是 0b111111111111111 ,通过与它做位运算 的操作就能得到低位数。

有了这种存放方式,在内存空间允许的情况下,我们就可以存放任意大小的数字了。

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长整型的运算

加法与乘法运算都可以使用我们小学的竖式计算方法,例如对于加法运算:

ob_digit[2] ob_digit[1] ob_digit[0]
加数a 23 934 543
加数b + 454 632
结果z 24 389 175

为方便理解,表格展示的是数组中每个元素保存的是 3 位十进制数,计算结果保存在变量z中,那么 z 的数组最多只要 size_a + 1 的空间(两个加数中数组较大的元素个数 + 1),因此对于加法运算,可以这样来处理:

[longobject.c]
static PyLongObject * x_add(PyLongObject *a, PyLongObject *b) {
    int size_a = len(a), size_b = len(b);
    PyLongObject *z;
    int i;
    int carry = 0; // 进位

    // 确保a是两个加数中较大的一个
    if (size_a < size_b) {
        // 交换两个加数
        swap(a, b);
        swap(&size_a, &size_b);
    }

    z = _PyLong_New(size_a + 1);  // 申请一个能容纳size_a+1个元素的长整型对象
    for (i = 0; i < size_b; ++i) {
        carry += a->ob_digit[i] + b->ob_digit[i];
        z->ob_digit[i] = carry & PyLong_MASK;   // 掩码
        carry >>= PyLong_SHIFT;                 // 移除低15位, 得到进位
    }
    for (; i < size_a; ++i) {                   // 单独处理a中高位数字
        carry += a->ob_digit[i];
        z->ob_digit[i] = carry & PyLong_MASK;
        carry >>= PyLong_SHIFT;
    }
    z->ob_digit[i] = carry;
    return long_normalize(z);                   // 整理元素个数

}

这部分的过程就是,先将两个加数中长度较长的作为第一个加数,再为用于保存结果的 z 申请空间,两个加数从数组从低位向高位计算,处理结果的进位,将结果的低 15 位赋值给 z 相应的位置。最后的 long_normalize(z) 是一个整理函数,因为我们 z 申请了 a_size + 1 的空间,但不意味着 z 会全部用到,因此这个函数会做一些调整,去掉多余的空间,数组长度调整至正确的数量,若不方便理解,附录将给出更利于理解的python代码。

竖式计算不是按个位十位来计算的吗,为什么这边用整个元素?

竖式计算方法适用与任何进制的数字,我们可以这样来理解,这是一个 32768 (2的15次方) 进制的,那么就可以把数组索引为 0 的元素当做是 “个位”,索引 1 的元素当做是 “十位”。

乘法运算

乘法运算一样可以用竖式的计算方式,两个乘数相乘,存放结果的 z 的元素个数为 size_a + size_b 即可:

操作 ob_digit[2] ob_digit[1] ob_digit[0]
乘数a 23 934 543
乘数b * 454 632
结果z 15 126 631 176
10 866 282 522
结果z 10 881 409 153 176

这里需要主意的是,当乘数 b 用索引 i 的元素进行计算时,结果 z 也是从 i 索引开始保存。先创建 z 并初始化为 0,这 z 上做累加操作,加法运算则可以利用前面的 x_add 函数:

// 为方便理解,会与cpython中源码部分稍有不同
static PyLongObject * x_mul(PyLongObject *a, PyLongObject *b)
{
    int size_a = len(a), size_b = len(b);
    PyLongObject *z = _PyLong_New(size_a + size_b);
    memset(z->ob_digit, 0, len(z) * sizeof(int)); // z 的数组清 0

    for (i = 0; i < size_b; ++i) {
        int carry = 0;          // 用一个int保存元素之间的乘法结果
        int f = b->ob_digit[i]; // 当前乘数b的元素

        // 创建一个临时变量,保存当前元素的计算结果,用于累加
        PyLongObject *temp = _PyLong_New(size_a + size_b);
        memset(temp->ob_digit, 0, len(temp) * sizeof(int)); // temp 的数组清 0

        int pz = i; // 存放到临时变量的低位

        for (j = 0; j < size_a; ++j) {
            carry = f * a[j] + carry;
            temp[pz] = carry & PyLong_MASK;  // 取低15位
            carry = carry >> PyLong_SHIFT;  // 保留进位
            pz ++;
        }
        if (carry){     //  处理进位
            carry += temp[pz];
            temp[pz] = carry & PyLong_MASK;
            carry = carry >> PyLong_SHIFT;
        }
        if (carry){
            temp[pz] += carry & PyLong_MASK;
        }
        temp = long_normalize(temp);
        z = x_add(z, temp);
    }

    return z

}

这大致就是乘法的处理过程,竖式乘法的复杂度是n^2,当数字非常大的时候(数组元素个数超过 70 个)时,python会选择性能更好,更高效的 Karatsuba multiplication 乘法运算方式,这种的算法复杂度是 3nlog3≈3n1.585,当然这种计算方法已经不是今天讨论的内容了。有兴趣的小伙伴可以去了解下。

总结

要想支持任意大小的整数运算,首先要找到适合存放整数的方式,本篇介绍了用 int 数组来存放,当然也可以用字符串来存储。找到合适的数据结构后,要重新定义整型的所有运算操作,本篇虽然只介绍了加法和乘法的处理过程,但其实还需要做很多的工作诸如减法,除法,位运算,取模,取余等。

python代码以文本形式存放,因此最后,还需要一个将字符串形式的数字转换成这种整型结构:

[longobject.c]
PyObject * PyLong_FromString(const char *str, char **pend, int base)
{
}

这部分不是本篇的重点,有兴趣的同学可以看看这个转换的过程。

参考

附录


# 例子中的表格中,数组元素最多存放3位整数,因此这边设置1000
# 对应的取低位与取高位也就变成对 1000 取模和取余操作
PyLong_SHIFT = 1000
PyLong_MASK = 999

# 以15位长度的二进制
# PyLong_SHIFT = 15
# PyLong_MASK = (1 << 15) - 1

def long_normalize(num):
    """
    去掉多余的空间,调整数组的到正确的长度
    eg: [176, 631, 0, 0]  ==>  [176, 631]
    :param num:
    :return:
    """
    end = len(num)
    while end >= 1:
        if num[end - 1] != 0:
            break
        end -= 1

    num = num[:end]
    return num

def x_add(a, b):
    size_a = len(a)
    size_b = len(b)
    carry = 0

    # 确保 a 是两个加数较大的,较大指的是元素的个数
    if size_a < size_b:
        size_a, size_b = size_b, size_a
        a, b = b, a

    z = [0] * (size_a + 1)
    i = 0
    while i < size_b:
        carry += a[i] + b[i]
        z[i] = carry % PyLong_SHIFT
        carry //= PyLong_SHIFT
        i += 1

    while i < size_a:
        carry += a[i]
        z[i] = carry % PyLong_SHIFT
        carry //= PyLong_SHIFT
        i += 1
    z[i] = carry

    # 去掉多余的空间,数组长度调整至正确的数量
    z = long_normalize(z)

    return z

def x_mul(a, b):
    size_a = len(a)
    size_b = len(b)
    z = [0] * (size_a + size_b)

    for i in range(size_b):
        carry = 0
        f = b[i]

        # 创建一个临时变量
        temp = [0] * (size_a + size_b)
        pz = i
        for j in range(size_a):
            carry += f * a[j]
            temp[pz] = carry % PyLong_SHIFT
            carry //= PyLong_SHIFT
            pz += 1

        if carry:    # 处理进位
            carry += temp[pz]
            temp[pz] = carry % PyLong_SHIFT
            carry //= PyLong_SHIFT
            pz += 1

        if carry:
            temp[pz] += carry % PyLong_SHIFT
        temp = long_normalize(temp)
        z = x_add(z, temp)   # 累加

    return z

a = [543, 934, 23]
b = [632, 454]
print(x_add(a, b))
print(x_mul(a, b))

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