Python 一窥字节码的究竟|极客教程

Python 一窥字节码的究竟，CPython解释器执行程序时，首先将其翻译成一系列的字节码指令。字节码是Python虚拟机的中间语言，可以提高程序的执行效率。

CPython解释器不直接执行人类可读的源码，而是执行由编译器解析和语法语义分析产生的紧凑的数、常量和引用。
这样，再次执行相同程序时能节省时间和内存。因为编译步骤产生的字节码会以.pyc和.pyo文件的形式缓存在磁盘上，所以执行字节码比再次解析并执行相同的Python文件速度更快。
对程序员来说所有这些步骤都是完全透明的，无须在意这些中间转换步骤，也无须在意Python虚拟机如何处理字节码。实际上，字节码格式是实现细节，在各Python版本之间并不一定保持稳定或兼容。
窥探CPython解释器内部并了解其工作原理能够提升自己、获得启发。了解这些知识不仅能带来乐趣，更重要的是有助于编写更高效的代码。
以下面简单的greet()函数作为实验样本，从中学习Python字节码：

def greet(name):
    return 'Hello, ' + name + '!'

>>> greet('Guido')
'Hello, Guido!'

前面说过，CPython在运行这段代码之前首先将其转换为中间语言。如果这种说法是真的，那么应该能够看到这个编译步骤的结果。我们也确实可以看到。
在Python 3中，每个函数都有__code__属性，这个属性可以获取greet函数用到的虚拟机指令、常量和变量：

>>> greet.__code__.co_code
b'd\x01|\x00\x17\x00d\x02\x17\x00S\x00'
>>> greet.__code__.co_consts
(None, 'Hello, ', '!')
>>> greet.__code__.co_varnames
('name',)

可以看到，co_consts中含有greet函数中用来组装问候语的字符串。同时常量和代码分开存储以节省存储空间。常量是恒定的，永远不会改变，可以在多个地方互换使用。
因此，Python没有在co_code指令流中重复存储实际的常量值，而是将Python中的常量单独存储在查找表中。之后指令流使用查找表中的索引来引用常量，存储在co_varnames字段中的变量也是如此。
我希望这个总体思想已经逐步明朗了，但看着co_code中复杂的指令流，似乎有点不现实。这种中间语言显然更适合CPython虚拟机使用，基于文本的源码才是供人类阅读的。
CPython的开发人员也意识到了这一点，所以提供了另一个称为反汇编器的工具，以便更容易地查看字节码。
CPython的字节码反汇编程序位于标准库的dis模块中。将其导入并在greet函数中调用dis.dis()就能以稍微易于阅读的形式显示对应的字节码：

>>> import dis
>>> dis.dis(greet)
   2           0 LOAD_CONST             1('Hello, ')
               2 LOAD_FAST              0(name)
               4 BINARY_ADD
               6 LOAD_CONST             2('!')
               8 BINARY_ADD
              10 RETURN_VALUE

反汇编的主要工作是划分指令流，并为其中的每个操作码（opcode）赋予一个人类可读的名称，如LOAD_CONST。
从中还可以看到常量和变量引用与字节码隔开了一段距离，其中的值也完整地打印了出来，省得我们根据索引在co_const或co_varnames表中手动查看，很不错吧！
通过这些人类可读的操作码，现在可以开始理解CPython如何表示和执行原greet()函数中的'Hello'，+ name +'!'表达式了。
解释器首先在索引1处（'Hello, '）查找常量并将其放在栈上，然后将name变量的内容放在栈上。
这个栈数据结构用作虚拟机的内部存储空间。虚拟机有不同的种类，其中有一种称为栈式虚拟机，CPython虚拟机就是这种实现。既然以栈命名这种虚拟机，那么就不难看出这个数据结构在其中的重要性。
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栈作为抽象数据结构，其有趣之处在于只支持两种操作：入栈和出栈。入栈将一个值添加到栈顶，出栈删除并返回栈顶的值。与数组不同，栈无法访问栈顶下面的元素。
栈令人着迷，这么简单的数据结构却有着非常多的用途。不过这次我不会跑题了……
假设栈初始为空，在执行前两个操作码之后，虚拟机栈的内容（0是最上面的元素）如下所示：

0: 'Guido' (contents of "name")
1: 'Hello, '

BINARY_ADD指令从栈中弹出两个字符串值，并将它们连接起来，然后再次将结果压入栈：

0: 'Hello, Guido'

然后由另一个LOAD_CONST将感叹号字符串压入栈：

0: '!'
1: 'Hello, Guido'

下一个BINARY_ADD操作码再次将这两个字符串连接起来以生成最终的问候语字符串：

0: 'Hello, Guido!'

最后的字节码指令是RETURN_VALUE，它告诉虚拟机当前位于栈顶的是该函数的返回值，可以传递给调用者。
瞧，我们刚刚跟踪了greet()函数在CPython虚拟机内部的执行过程，很棒吧？
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定义自己的字节码语言并尝试为之构建虚拟机会很有乐趣。关于虚拟机主题的书我推荐Wilhelm和Seidl所著的《编译器设计：虚拟机》（Compiler Design: Virtual Machines）。