2019-04-16

python虚拟机中的一般表达式

一、简单内建对象的创建

通常python字节码执行在虚拟机的一个栈帧中，执行的效果会影响当前环境运行时栈以及局部变量表，前者是栈帧的valuestack指针指向的一段动态内存，后者是栈帧的f_locals指向的一个字典对象。先讨论一个简单赋值语句i = 1。这个语句编译出的字节码通常如下：

# example 1
i = 1
0	LOAD_CONST	0 (1)
3	STORE_NAME	0 (i)

LOAD_CONST的效果是从代码对象的常量表中读取指定的值，这里显示读取第0个常量得到了1，第二条指令STORE_NAME完成的工作是将代码对象的名字表中读取第0个名字，并将其与当前栈顶元素绑定，存储到栈帧的局部名字空间中。也就是说第一个指令会将1压栈，但是不会影响名字空间，第二个指令将1出栈并影响局部名字空间，完成变量的名字与值的绑定。

再来看一个简单的赋值语句：d = {}。

# example 2
d = {'a':1}
6	LOAD_CONST	1 ('a')
9	LOAD_CONST	0 (1)
12	BUILD_MAP	1
15	STORE_NAME	1 (d)

l = [1]
18	LOAD_CONST	0 (1)
21	BUILD_LIST	1
24	STORE_NAME	2 (l)
27	LOAD_CONST	2 (none)
30	RETURN_VALUE

掌握了例子1后，这个例子的理解就水到渠成了。BUILD_MAP没有读取常量表，而是直接新建了一个map对象压栈，这里的参数是告诉这个指令，当前栈顶有几对需要读取的键值对，因为我们事先压栈了需要建立map的元素。然后STORE_NAME做的工作与前面一样，出栈、读取变量名并修改局部名字空间。然后对于l = []的编译稍微有一点不一样的东西了。这里的BUILD_LIST的参数是有用的，这个参数同样是告诉我们当前栈顶有多少个元素需要添加到列表中，结合我们预先的LOAD_CONST可以得知，列表的构建过程会先将所需元素先行压栈然后再统一创建。索引为21的LOAD_CONST与后面的RETURN_VALUE的目的是为了返回一个空值，原因在于python的每一个code block都要有返回值。

二、名字搜索

变量名的查找是理解作用域以及名字空间的重中之重。前面的例子都是读取的常量或者直接创建一个新的对象，为了探究名字搜索的过程，看这么一个源码文件。

a = 5
b = a
c = a + b
print(c)

这个代码文件编译出的字节码为：

a = 5
  1           0 LOAD_CONST               0 (5)
              3 STORE_NAME               0 (a)
b = a
  2           6 LOAD_NAME                0 (a)
              9 STORE_NAME               1 (b)
c = a+b
  3          12 LOAD_NAME                0 (a)
             15 LOAD_NAME                1 (b)
             18 BINARY_ADD
             19 STORE_NAME               2 (c)
print(c)
  4          22 LOAD_NAME                3 (print)
             25 LOAD_NAME                2 (c)
             28 CALL_FUNCTION            1 (1 positional, 0 keyword pair)
             31 POP_TOP
             32 LOAD_CONST               1 (None)
             35 RETURN_VALUE

来看一下编译出的内容。前两个指令不用看了，已经了解了，这两条指令过后在当前栈帧的局部名字空间新增了绑定。b=a的指令出现了LOAD_NAME，这个指令需要从名字空间中所搜名字，他是怎么做的呢？这个LOAD_NAME要做的事情远比STORE_NAME复杂，因为后者只涉及局部名字空间，而前者涉及到回溯作用域链。下面展示了LOAD_NAME的C代码（已经删去大量的错误处理和类型检查的代码），可以发现LOAD_NAME中应用的是明显的LGB规则，那么LEGB规则是怎么来的呢？这个问题你可以回答吗？后面的文章中会对此作出解释。

/* ---LOAD_NAME--- */
PyObject *name = GETITEM(names, oparg);
PyObject *locals = f->f_locals;
PyObject *v;

v = PyDict_GetItem(locals, name); // 搜索local
Py_XINCREF(v);

if (v == NULL) {
	v = PyDict_GetItem(f->f_globals, name); // 搜索global
	Py_XINCREF(v);
	if (v == NULL) {
		v = PyDict_GetItem(f->f_builtins, name); //搜索 buildin
		if (v == NULL) { // LGB中都没有找到该名字
		    format_exc_check_arg(PyExc_NameError,
			        NAME_ERROR_MSG, name);
		    goto error;
		}
		Py_INCREF(v);
	   
	}
}

PUSH(v); // 压入运行时栈
DISPATCH();

由于写这个系列文章的目的在于深入理解python的函数机制，探究其中的作用域与名字空间的规则，后面两个涉及到的加法运算和打印操作在这里不进行详细解释，有兴趣的同学可以去翻看《python源码剖析》中的内容。

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python虚拟机中的一般表达式

一、简单内建对象的创建

二、名字搜索

参考