Python 的整数为什么永远不会溢出?拆开大整数对象,看 30 位一节的存储与运算代价

简介: Python 整数不会溢出,靠的是把数字拆成 30 位小节用对象数组存:每个整数至少 28 字节,每多 30 位加 4 字节;加法近似线性、乘法超线性——30 万位乘法是 30 位的 29 万倍;str 转换默认 4300 位护栏,to_bytes 比 str 快约 300 倍。用 9 组实验算清「无限精度」的账单。

结论先行:Python 整数不会溢出,靠的是「把数字拆成若干 30 位的小节,用对象数组存」——代价是每个整数至少有 28 字节固定开销,且运算复杂度随位数增长:加法近似线性,乘法是超线性的。本文实测 30 万位整数的乘法要 23 毫秒,是 30 位整数的 29 万倍;而同样 30 万位的十进制字符串转换,默认直接被 Python 拒绝——因为 CPython 给字符串转换设了 4300 位的护栏。这篇用 9 组实验把「无限精度」的账单算清楚。


1. 先看内存账单:28 字节起步,每 30 位加 4 字节

C 语言的 int 是定宽的,INT_MAX + 1 直接回绕变成负数。Python 没有这个问题,但它把成本藏在了对象里。实测:

整数值 位数 sys.getsizeof
0 1 28 字节
2**30 - 1 30 28 字节
2**30 31 32 字节
2**60 61 36 字节
2**90 90 40 字节

规律非常整齐:固定开销 28 字节,之后每多一个 30 位的「digit」多 4 字节。 注意 0 也要占 28 字节——Python 里没有「小整数更省」这回事,a = 1 和 a = 2**1000 的差别只是后面挂了几节车厢。

2. 为什么是 30 位,不是 32 位

这是最容易被问到的问题。CPython 的 digit 类型是 C 的 uint32_t,32 位宽,但每个 digit 只存 30 位有效值:

>>> hex(2**30 - 1)
'0x3fffffff'      # 单个 digit 的最大值
>>> hex(2**30)
'0x40000000'      # 立即进位到第 2 个 digit

留 2 位是给进位和中间计算留的余量。乘法中间结果最大能到 60 位,如果 digit 用满 32 位,两个 digit 相乘就需要 64 位临时变量,在老平台和某些编译路径上反而更慢。30 位是精度、速度与可移植性三角平衡的结果,三十年来没变过。

3. 小整数缓存:-5 到 256 的特殊公民

既然每个整数都是 28 字节的对象,for i in range(1000) 难道要创建一千个对象吗?CPython 的解释是:启动时预先建好 -5 到 256 的整数对象,用时只取不建。用运行期构造绕开编译器的常量折叠,边界看得更清楚:

>>> int('256') is int('256')
True      # 命中缓存,两次拿到同一个对象
>>> int('257') is int('257')
False     # 超出缓存范围,每次新建

这也解释了一个经典面试题:a = 257; b = 257; a is b 在某些环境下是 True——那不是缓存,是编译器把同一代码块里的相同字面量折叠成了同一个对象。判断整数是否相同,请永远用 ==。

4. 运算代价:加法近似线性,乘法超线性

整数拆成 digit 数组后,运算就是对数组的逐节操作。实测不同位数的加法和乘法耗时:

位数 digit 数 加法 乘法
30 1 0.0001 ms 0.0001 ms
300 10 0.0001 ms 0.0002 ms
3 000 100 0.0002 ms 0.011 ms
30 000 1 000 0.0013 ms 0.54 ms
300 000 10 000 0.016 ms 23.2 ms

加法是线性复杂度:位数扩大 1 万倍,耗时扩大约 187 倍,基本跟着 digit 数走。乘法是超线性的:位数扩大 1 万倍,耗时扩大约 29 万倍——学校竖式乘法是 O(n²),CPython 在超过阈值后切换到 Karatsuba 分治乘法才把它压下来,但压不掉「位数翻倍、耗时翻几倍」的本质。这就是为什么「Python 大整数做加密运算慢」的说法有依据:RSA 的模幂就是一连串大数乘法堆出来的。

5. 一个反直觉的坑:str(大整数) 默认会被拒绝

Python 整数没有上限,但把大整数转成十进制字符串有上限:

>>> import math, sys
>>> sys.get_int_max_str_digits()
4300
>>> str(math.factorial(10000))
ValueError: Exceeds the limit (4300 digits) for integer string conversion

math.factorial(10000) 有 35660 位十进制数字,超过 4300 的护栏直接抛异常。这是 CPython 针对 CVE-2020-10735 的修复:攻击者可以提交一个千万位的整数让服务器转字符串,O(n²) 的转换算法会拖死进程。解法是 sys.set_int_max_str_digits(200000) 显式放宽。

这也解释了日常调试的困惑:print(2**5000) 好得很,print(math.factorial(10000)) 突然崩了——不是数字太大存不下,是十进制转换太贵被主动熔断。

6. 序列化选二进制,能快三个数量级

同一个 3 万位整数,实测不同出口的耗时:

转换方式 输出长度 耗时
str(x) 9031 字符 1.83 ms
hex(x) 7502 字符 0.013 ms
x.to_bytes(3750,'big') 3750 字节 0.006 ms

十进制转换比二进制转换慢约 300 倍——因为 10 不是 2 的幂,每输出一位都要做一次除法迭代;而 to_bytes 只是按 30 位一节重新拼装,近乎零成本。需要把大数写进日志、传上网络、存数据库时,走 to_bytes/from_bytes 或 hex,别用 str。

7. 那什么时候不该用 Python 整数

数值计算里用 list 装一百万个整数,实测内存约 26 MB 起(每个元素一个 28 字节对象加 8 字节指针),而 array('q') 定宽 C 整数只要 7 MB。Python 整数的无限精度,对大多数场景是过剩的——图像像素、音频采样、矩阵运算,数据本身有界,就该用定宽容器;只有密码学参数、组合数学的阶乘、大数分解这类「位数自己会长」的场景,才配得上这份灵活性。


一句话收尾:Python 整数的「永不溢出」不是免费的魔法,而是 28 字节起步、4 字节一节的显式账单——加法线性、乘法超线性、十进制转换默认熔断。知道账单在哪,才知道什么时候该为这份自由买单。

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