Python：类型槽位

在 Python 的对象模型中，大量语言行为——函数调用、属性访问、运算符运算、迭代、上下文管理等——并不是通过“按名称查找某个方法”来完成的，而是由解释器在类型层面触发的一组固定分派入口完成的。

在 CPython 的实现中，这些入口被称为“类型槽位”（type slots）。

理解类型槽位，是将“协议”这一语义概念落实到运行机制层面的关键一步。

一、为什么需要理解类型槽位

在语言层面，我们常说：

• 实现 __iter__ 就支持迭代

• 实现 __call__ 就可以被调用

• 实现 __add__ 就支持加法

• 实现 __get__ 就成为描述符

这些说法在语义层面是正确的，但仍然停留在“方法名层面”。

真正的问题是：解释器如何知道在某个语境中应该调用哪一个行为？

答案并不是“简单地通过属性查找判断对象是否存在某个同名方法”，而是解释器通过类型对象的槽位表进行分派。

例如：

...

这些槽位在类型对象中以固定字段形式存在，槽位中保存的是函数指针（通常为 CPython 的 slot wrapper，用于桥接到 Python 层定义的特殊方法实现）。

当解释器遇到某种语法语境时，例如函数调用、运算符运算或 for 循环，它并不是去查找方法名字符串，而是根据语境直接读取对应槽位，并调用其中的函数指针。

类型槽位并不是替代特殊方法，而是特殊方法在运行期的承载结构。

• 用户在类字典中定义特殊方法

• 类型构造阶段将其映射到槽位

• 解释器在语法语境中调用槽位

• 槽位再回调到用户定义的方法

因此，特殊方法是语言接口，槽位是运行分派机制。二者构成一体两面的结构。

二、类型对象与槽位结构

在 Python 中，类本身也是对象。

当执行：

解释器会创建一个类对象（type object）。

在 CPython 实现中，该对象在底层对应一个 PyTypeObject 结构。这个结构除了包含类名、继承关系、属性字典等信息外，还包含大量函数指针字段，即所谓的“类型槽位”。

可以从概念上理解为：

类型对象 = 元信息 + 属性字典 + 行为槽位表

需要强调的是：

• 类型槽位不是类字典中的条目

• 槽位是类型对象的内部结构的一部分

• 类字典中的特殊方法在类创建或更新时会映射到对应槽位

三、特殊方法名与槽位的映射

在 Python 语法层面，我们定义的是特殊方法名，例如：

但在类型层面，解释器真正使用的是对应的槽位。

常见映射关系（CPython 实现）如下：

特殊方法名

相关槽位（CPython）

__iter__ tp_iter __next__ tp_iternext __call__ tp_call __getattribute__ tp_getattro __add__ tp_as_number->nb_add __getitem__ tp_as_mapping->mp_subscript 或 tp_as_sequence->sq_item __get__ tp_descr_get

当类对象创建完成（type.__new__ 执行完毕）时：

1、解释器扫描类字典

2、如果发现特殊方法名（如 __iter__），则将其与对应槽位（如 tp_iter）建立映射

3、在类型对象中填充相应槽位

此后，当解释器遇到特定语法语境时，会直接使用槽位进行分派，而不是按方法名查找。

下面以迭代行为为例来描述槽位分派过程。

当执行：

for x in obj:

语义上等价于：

iterator = iter(obj)

但 iter(obj) 并不是简单执行：

obj.__iter__

解释器在内部会：

1、取得 type(obj)；

2、检查该类型是否提供迭代入口（在 CPython 中表现为 tp_iter 槽位是否已填充）；

3、若存在，则通过该槽位调用对应实现，获得一个迭代器对象；

4、若不存在，则进入序列回退路径（尝试基于 __getitem__ 建立迭代规则）。

因此，迭代行为的成立依赖于类型对象的结构状态，而不是实例属性中是否存在名为 __iter__ 的方法。

四、类型槽位如何决定协议成立

可以给出一个统一判断：协议是否成立，取决于对应槽位是否被填充，而不是对象是否“拥有某个方法名”。

1、迭代协议

当执行：

iter(obj)

解释器：

• 检查 type(obj).tp_iter

• 若存在，则调用该槽位

• 若不存在，则尝试序列回退路径

2、可调用协议

当执行：

obj()

解释器：

• 检查 type(obj).tp_call

• 若槽位存在，则调用

函数对象、类对象以及实现 __call__ 的实例之所以可调用，是因为其类型填充了 tp_call。

3、运算符协议

当执行：

a + b

解释器：

• 检查 type(a).tp_as_number

• 在其子结构中调用对应的加法槽位（nb_add）

而不是简单执行：

a.__add__(b)

4、描述符协议

当访问：

obj.attr

解释器：

• 通过 tp_getattro 进入属性访问流程

• 在类字典中查找属性

• 若属性对象的类型填充了 tp_descr_get，则触发描述符分派

因此，描述符成立的条件是其类型实现了描述符槽位，而不是仅仅存在 __get__ 名称。

五、为什么实例字典无法改变协议

考虑以下代码：

iter(a)    # TypeError

这段代码会抛出 TypeError。

原因是：

• 协议分派发生在类型层，即检查的是 type(a) 的 tp_iter

• 实例字典中的 __iter__ 修改不会更新类型槽位

此时 tp_iter 槽位仍然为空，因此协议未成立。

这揭示一个核心原则：协议分派是类型级机制，而不是实例级属性查找。

六、类属性修改与槽位更新

当通过类对象赋值：

A.__iter__ = f

在 CPython 中：

• type.__setattr__ 会触发槽位重新计算

• 对应槽位会被重新填充

因此：

iter(A())

可以成功。

这说明，槽位更新由类型对象管理，而不是字典本身自动完成。

七、类型槽位的统一理解

从对象模型角度总结：

• 类型对象内部维护一组固定行为入口（槽位）

• 特殊方法名是语言层对槽位的映射接口

• 协议成立取决于该类型在其 MRO 合成后的类型结构中是否为该槽位提供实现（是否非空）

• 解释器在特定语境下直接调用槽位，而非方法名查找

• 实例属性不会改变协议

• 类属性更新可能触发槽位更新

因此，对象“支持某种语义”，并不是因为它“拥有某个方法名”，而是因为其类型结构在创建或更新时填充了对应的槽位。

小结

类型槽位是 Python 协议机制在 CPython 实现中的结构基础。解释器在特定语法语境中，并不是通过方法名查找来决定行为，而是通过类型对象中预定义的槽位进行分派。特殊方法名只是语言层对这些槽位的映射接口。

理解类型槽位，有助于从结构层面把握协议成立的真正条件，并澄清“方法名”与“行为分派”之间的本质区别。

“点赞有美意，赞赏是鼓励”