Python虚拟机框架这一章中,我们通过PyEval_EvalFrameEx看到了Python虚拟机的整体框架。而这章开始,我们将了解Python虚拟机是如何完成对Python的一般表达式的执行,这里的“一般表达式”包括最基本的对象创建语句,打印语句。至于if、while等表达式,我们将之归类于控制流语句,将再后面的章节介绍

简单内建对象的创建

我们先来看一段简单的对象创建语句:

demo.py

i = 1
s = "Python"
d = {}
l = []

  

上面的语句很简单,创建i、s、d、l四个变量,分别赋值为1、"Python"、字典、列表,现在,让我们看一下这个脚本所对应的PyCodeObject对象中的符号表co_names和常量表co_consts都包含了什么

# python2.5
……
>>> source = open("demo.py").read()
>>> co = compile(source, "demo.py", "exec")
>>> co.co_consts
(1, 'Python', None)
>>> co.co_names
('i', 's', 'd', 'l')

  

符号表和常量表保存着程序运行的重要信息,在Python虚拟机执行字节码指令时具有非常重要的作用

接下来,我们再用dis模块看一下demo.py对应的字节码

>>> import dis
>>> dis.dis(co)
1 0 LOAD_CONST 0 (1)
3 STORE_NAME 0 (i) 2 6 LOAD_CONST 1 ('Python')
9 STORE_NAME 1 (s) 3 12 BUILD_MAP 0
15 STORE_NAME 2 (d) 4 18 BUILD_LIST 0
21 STORE_NAME 3 (l)
24 LOAD_CONST 2 (None)
27 RETURN_VALUE

  

最左边的一列是字节码指令在源代码中所对应的行数,左起第二列是当前字节码在co_code中的偏移位置,第三列显示了当前字节码的指令,第四列是指令的参数,最后一列是计算后的实际参数

在PyEval_EvalFrameEx的实现中,出于对效率的考虑,使用了大量的宏,其中的一些宏包括了对栈的各种操作以及对tupple元素的访问操作,在执行字节码指令时,会大量使用这些宏:

ceval.c

//访问tupple中的元素
#define GETITEM(v, i) PyTuple_GetItem((v), (i))
//调整栈顶指针
#define BASIC_STACKADJ(n) (stack_pointer += n)
#define STACKADJ(n) BASIC_STACKADJ(n)
//入栈操作
#define BASIC_PUSH(v) (*stack_pointer++ = (v))
#define PUSH(v) BASIC_PUSH(v)
//出栈操作
#define BASIC_POP() (*--stack_pointer)
#define POP() BASIC_POP()

  

图1-1

图1-1左边的stack_pointer是运行时栈的栈顶指针,字节码指令对符号和常量的操作最终都将反应到运行时栈和local名字空间(f->f_locals)

我们对demo.py结合dis所分析的结果逐行解析

i = 1
//分析结果
0 LOAD_CONST 0 (1)
3 STORE_NAME 0 (i)

  

i = 1产生了两条字节码:LOAD_CONST和STORE_NAME,我们现在看下LOAD_CONST在PyEval_EvalFrameEx函数中的定义:

ceval.c

case LOAD_CONST:
x = GETITEM(consts, oparg);
Py_INCREF(x);
PUSH(x);
goto fast_next_opcode;

  

根据我们之前的定义,GETITEM(consts, oparg)显然就是GETITEM(consts, 0),即PyTuple_GetItem(consts, 0)。LOAD_CONST的意图很明显,就是从consts中读取序号为0的元素,然后再执行PUSH字节码将其压入运行时栈stack_pointer,其中,consts就是f->f_code->co_consts,其中,f是当前活动的PyFrameObject对象,那么consts也就是PyCodeObject对象中的co_consts

根据dis模块对demo.py的解析,我们可以知道consts的第0个元素是一个整数对象1,这也是demo.py中所创建的第一个对象。LOAD_CONST完成后运行时栈和名字空间如下图所示:

图1-2

第一条字节码指令LOAD_CONST只改变了运行时栈,对local名字空间没有任何影响。但别忘了,完成i = 1除了LOAD_CONST这条指令,还有一条STORE_NAME指令,STORE_NAME将完成在local名字空间中,实现符号i到PyIntObject对象1之间的映射关系,这样以后如果我们需要符号i,就可以到local名字空间查找i所对应的对象。现在,我们再来看一下STORE_NAME字节码的实现

ceva.lc

case STORE_NAME:
w = GETITEM(names, oparg);
v = POP();
if ((x = f->f_locals) != NULL) {
if (PyDict_CheckExact(x))
err = PyDict_SetItem(x, w, v);
else
err = PyObject_SetItem(x, w, v);
Py_DECREF(v);
if (err == 0) continue;
break;
}
PyErr_Format(PyExc_SystemError,
"no locals found when storing %s",
PyObject_REPR(w));
break;

  

这里,我们只考虑f->f_locals是PyDictObject对象的情况,代码会先取出符号表的符号,并从运行时栈中取出符号所对应的值,在PyDictObject这个对象中建立映射关系,而根据上面dis对i = 1的解析,可以发现STORE_NAME取出的符号确实是i。而完成STORE_NAME这一指令后,运行时栈和local名字空间的分部变为如下:

图1-3

  

而demo.py中的s = "Python"所对应的字节码与i = 1所对应的一模一样,这里不再做阐述。

现在,我们再来看一下demo.py的第三行d = {},是如何创建一个字典对象

d = {}
//分析结果
3 12 BUILD_MAP 0
15 STORE_NAME 2 (d)

  

指令BUILD_MAP会创建一个PyDictObject对象,并将之压入栈

ceval.c

case BUILD_MAP:
x = PyDict_New();
PUSH(x);
if (x != NULL) continue;
break;

  

可能有人会想,如果在声明字典时不单单声明一个空字典,而是填入参数呢?如:d = {"1": 1, "2": 2},不要急,关于这样的字典对应的字节码是如何生成并执行的,后面还会再介绍,再执行完BUILD_MAP和STORE_NAME之后,我们再来看下运行时栈和名字空间:

图1-4

再来看一下demo.py最后一行代码l = [],我们看一下它的分析结果:

l = []
//分析结果
4 18 BUILD_LIST 0
21 STORE_NAME 3 (l)
24 LOAD_CONST 2 (None)
27 RETURN_VALUE

  

BUILD_LIST这个字节码比BUILD_MAP稍微好点,因为它不像BUILD_MAP那样创建一个空字典就直接压入栈,而是会根据列表中的元素生成一个列表

ceval.c

case BUILD_LIST:
x = PyList_New(oparg);
if (x != NULL) {
for (; --oparg >= 0;) {
w = POP();
PyList_SET_ITEM(x, oparg, w);
}
PUSH(x);
continue;
}
break;

  

这里我们可以做一个猜测,如果BUILD_LIST创建的不是一个空列表,那在之前一定有若干LOAD_CONST操作,这将导致若干元素压入运行时栈中,在执行BUILD_LIST时,这些元素又会从运行时栈中弹出,加入新创建的PyListObject对象中。最后,执行STORE_NAME,完成符号与栈中列表的映射。现在,运行时栈和名字空间的分布应该如下:

图1-5

到这里,似乎demo.py所有的代码都执行完毕,但似乎我们还漏了些什么?在创建列表并建立映射之后,还有两句字节码:

24 LOAD_CONST    2 (None)
27 RETURN_VALUE

  

既然对象都已经创建完毕,那么多出的这两句又有什么用呢?原来,Python在执行完一段Code Block之后,一定要返回一些值,这条字节码指令就是用来返回这些值的,LOAD_CONST将None这个对象压入运行时栈,再在RETURN_VALUE时将栈中的对象,也就是None返回

ceval.c

case RETURN_VALUE:
retval = POP();
why = WHY_RETURN;
goto fast_block_end;

  

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