深入理解 python 虛擬機：字節(jié)碼教程(2)——控制流是如何實現的？

在本篇文章當中主要給大家分析 python 當中與控制流有關的字節(jié)碼，通過對這部分字節(jié)碼的了解，我們可以更加深入了解 python 字節(jié)碼的執(zhí)行過程和控制流實現原理。

控制流實現

控制流這部分代碼主要涉及下面幾條字節(jié)碼指令，下面的所有字節(jié)碼指令都會有一個參數：

• JUMP_FORWARD，指令完整條指令會將當前執(zhí)行字節(jié)碼指令的位置加上這個參數，然后跳到對應的結果繼續(xù)執(zhí)行。
• POP_JUMP_IF_TRUE，如果棧頂元素等于 true，將字節(jié)碼的執(zhí)行位置改成參數的值。將棧頂元素彈出。
• POP_JUMP_IF_FALSE，這條指令和 POP_JUMP_IF_TRUE 一樣，唯一差別就是判斷棧頂元素是否等于 true。
• JUMP_IF_TRUE_OR_POP，如果棧頂元素等于等于 true 則將字節(jié)碼執(zhí)行位置設置成參數對應的值，并且不需要將棧頂元素彈出。但是如果棧頂元素是 false 的話那么就需要將棧頂元素彈出。
• JUMP_IF_FALSE_OR_POP，和JUMP_IF_TRUE_OR_POP一樣只不過需要棧頂元素等于 false 。
• JUMP_ABSOLUTE，直接將字節(jié)碼的執(zhí)行位置設置成參數的值。

總的來說，這些跳轉指令可以讓 Python 的解釋器在執(zhí)行字節(jié)碼時根據特定條件來改變執(zhí)行流程，實現循環(huán)、條件語句等基本語言結構。

現在我們使用一個例子來深入理解上面的各種指令的執(zhí)行過程。

import dis


def test_control01():
    a = 1

    if a > 1:
        print("a > 1")
    elif a < 1:
        print("a < 1")
    else:
        print("a == 1")

if __name__ == '__main__':
    dis.dis(test_control01)

上面的程序輸出結果如下所示：

  6           0 LOAD_CONST               1 (1)
              2 STORE_FAST               0 (a)

  8           4 LOAD_FAST                0 (a)
              6 LOAD_CONST               1 (1)
              8 COMPARE_OP               4 (>)
             10 POP_JUMP_IF_FALSE       22

  9          12 LOAD_GLOBAL              0 (print)
             14 LOAD_CONST               2 ('a > 1')
             16 CALL_FUNCTION            1
             18 POP_TOP
             20 JUMP_FORWARD            26 (to 48)

 10     >>   22 LOAD_FAST                0 (a)
             24 LOAD_CONST               1 (1)
             26 COMPARE_OP               0 (<)
             28 POP_JUMP_IF_FALSE       40

 11          30 LOAD_GLOBAL              0 (print)
             32 LOAD_CONST               3 ('a < 1')
             34 CALL_FUNCTION            1
             36 POP_TOP
             38 JUMP_FORWARD             8 (to 48)

 13     >>   40 LOAD_GLOBAL              0 (print)
             42 LOAD_CONST               4 ('a == 1')
             44 CALL_FUNCTION            1
             46 POP_TOP
        >>   48 LOAD_CONST               0 (None)
             50 RETURN_VALUE

我們現在來模擬一下上面的字節(jié)碼執(zhí)行過程，我們使用 counter 表示當前字節(jié)碼的執(zhí)行位置：

在字節(jié)碼還沒開始執(zhí)行之前，棧空間和 counter 的狀態(tài)如下：

現在執(zhí)行第一條字節(jié)碼 LOAD_CONST，執(zhí)行完之后 counter = 2，因為這條字節(jié)碼占一個字節(jié)，參數棧一個字節(jié)，因此下次執(zhí)行的字節(jié)碼的位置在 bytecode 的低三個位置，對應的下標為 2，因此 counter = 2 。

現在執(zhí)行第二條字節(jié)碼 STORE_FAST，讓 a 指向 1 ，同樣的 STORE_FAST 操作碼和操作數各占一個字節(jié)，因此執(zhí)行完這條字節(jié)碼之后?？臻g沒有數據，counter = 4 。

接下來 LOAD_FAST 將 a 指向的對象也就是 1 加載進入棧中，此時的 counter = 6，LOAD_CONST 將常量 1 加載進行入?？臻g當中，此時 counter = 8，在執(zhí)行完這兩條指令之后，?？臻g的變化如下圖所示：

接下來的一條指令是 COMPARE_OP ，這個指令有一個參數表示比較的符號，這里是比較 a > 1，并且會將比較的結果壓入棧中，比較的結果是 false ，因為 COMPARE_OP 首先會將棧空間的兩個輸入彈出，因此在執(zhí)行完這條指令之后棧空間和 counter 的值如下：

下面一條指令為 POP_JUMP_IF_FALSE，根據前面的字節(jié)碼含義，這個字節(jié)碼會將棧頂的 false 彈出，并且會進行跳轉，并且將 counter 的值直接編程參數的值，這里他的參數是 22 ，因此 counter = 22，在執(zhí)行完這條指令之后，結果如下：

因為現在已經跳轉到了 22 ，因此接下來執(zhí)行的指令為 LOAD_FAST，將變量 a 加載進入?？臻g，LOAD_CONST 將常量 1 加載進入?？臻g，在執(zhí)行完這兩條執(zhí)行之后，變化情況如下：

在次執(zhí)行 POP_JUMP_IF_FALSE，這回的結果也是 false ，因此繼續(xù)執(zhí)行 POP_JUMP_IF_FALSE，這次的參數是 40，直接將 counter 的值設置成 40 。

接下來 LOAD_GLOBAL 加載一個全局變量 print 函數 counter 變成 42 ，LOAD_CONST 加載字符串 "a == 1" 進入?？臻g，counter = 44，此時狀態(tài)如下：

CALL_FUNCTION 這個字節(jié)碼有一個參數，表示調用函數的參數的個數，這里是 1，因為 print 函數只有一個參數，然后輸出字符串 "a== 1"，但是這里需要注意的是 print 函數會返回一個 None，因此執(zhí)行完 CALL_FUNCTION 之后狀態(tài)如下：

至此差不多上面的函數差不多執(zhí)行完了，后面幾條字節(jié)碼很簡單，就不再進行敘述了。

總結

在 Python 中，控制流指令可以讓解釋器根據特定條件改變執(zhí)行流程，實現循環(huán)、條件語句等基本語言結構。Python 中與控制流有關的字節(jié)碼指令包括 JUMP_FORWARD、POP_JUMP_IF_TRUE、POP_JUMP_IF_FALSE、JUMP_IF_TRUE_OR_POP、JUMP_IF_FALSE_OR_POP 和 JUMP_ABSOLUTE 等。這些指令都有一個參數，主要是用來計算跳轉的目標位置等。通過對這些指令的了解，我們可以更深入地理解 Python 字節(jié)碼的執(zhí)行過程和控制流實現原理。

本篇文章是深入理解 python 虛擬機系列文章之一，文章地址：https://github.com/Chang-LeHung/dive-into-cpython

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