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13.2-python-and-c-module.md

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13.2 Python 和 C 模块

其余模块是用 C，或者是 Python 和 C 组合编写的。这些模块源代码的 Python 部分在 Lib 文件夹中，C 的部分在 Modules 文件夹中。不过有两个例外，sys 模块在 Python/sysmodule.c 中，__builtins__ 模块在 Python/bltinmodule.c 中。

当解释器实例化时，Python 会执行 import * from __builtins__，因此所有的内置函数，比如 print()、chr()、format() 等都可以在 Python/bltinmodule.c 中找到。

因为 sys 模块对 CPython 的解释器和内部实现来说非常特殊，所以 sys 模块被放在 Python 目录中。可以认为 sys 模块是 CPython 的实现细节，而这些实现细节在其他的 Python 实现中可能并不存在。

内置的 print() 函数或许是你在 Python 中学会的第一件事。那么当你输入 print("hello world!") 后，会发生什么？

  1. 参数 "hello world" 被编译器从一个字符串常量转换成 PyUnicodeObject
  2. 这个 PyUnicodeObject 作为参数传入 builtin_print()，builtin_print 的 kwnames 为 NULL
  3. 变量 file 被设置成 PyId_stdout，也即系统的 stdout
  4. 每个参数被送往 file
  5. 将一个换行符 送往 file

Python/bltinmodule.c 第 1828 行:

static PyObject *
builtin_print(PyObject *self, PyObject *const *args,
    Py_ssize_t nargs, PyObject *kwnames)
{
    ...
    if (file == NULL || file == Py_None) {
        file = _PySys_GetObjectId(&PyId_stdout);
        ...
    }
    ...
    for (i = 0; i < nargs; i++) {
        if (i > 0) {
            if (sep == NULL)
                err = PyFile_WriteString(" ", file);
            else
                err = PyFile_WriteObject(sep, file,
                                         Py_PRINT_RAW);
        if (err)
            return NULL;
        }
        err = PyFile_WriteObject(args[i], file, Py_PRINT_RAW); if (err)
        return NULL;
    }
    if (end == NULL)
        err = PyFile_WriteString("\n", file);
    else
        err = PyFile_WriteObject(end, file, Py_PRINT_RAW);
    ...
    Py_RETURN_NONE;
}

一些用 C 语言编写的模块的需要依赖操作系统提供的接口。并且 CPython 源代码需要编译到 macOS、Windows、Linux 和其他 *nix 操作系统，所以不得不考虑各种特殊情况。

time 模块就是一个很好的例子。Windows 使用和存储时间的方式与 Linux 和 macOS 完全不一样，这也是不同操作系统之间 clock() 函数精度不同的原因之一。

在 Modules/timemodule.c 中，基于 Unix 的操作系统的时间函数从 <sys/times.h> 导入：

#ifdef HAVE_SYS_TIMES_H
#include <sys/times.h>
#endif
...
#ifdef MS_WINDOWS
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#include <windows.h>
#include "pythread.h"
#endif /* MS_WINDOWS */
...

同样在这个文件中，可以看到 time_process_time_ns() 只是对 _PyTime_GetProcessTimeWithInfo() 的包装:

static PyObject *
time_process_time_ns(PyObject *self, PyObject *unused)
{
    _PyTime_t t;
    if (_PyTime_GetProcessTimeWithInfo(&t, NULL) < 0) {
        return NULL;
    }
    return _PyTime_AsNanosecondsObject(t);
}

在 _PyTime_GetProcessTimeWithInfo() 函数中可以看到，不同操作系统上实现该函数的方式不同，这些不同的实现方式使用宏来控制，编译时会根据操作系统编译所需要的代码到模块中。Windows 系统将调用 GetProcessTimes()，而 Unix 系统将调用 clock_gettime()。

除了时间模块，对外提供同一个 API 接口但是有多组底层实现的模块还包括线程模块、文件系统模块和网络模块。由于操作系统的行为不同，CPython 源码中通过使用一致的、抽象的接口，尽可能的向上层调用者暴露出相同的行为。