字节码：分析 Python 执行的终极利器

一、什么是代码对象

Code Object（代码对象）封装了 Python 虚拟机的字节码和虚拟机执行相关信息，可以把字节码称为 Python 虚拟机上的汇编语言。
学代码对象有什么用呢？从其定义可知，字节码是编译后的 Python 代码，学习代码对象有助于我们理解 Python 虚拟机、编译过程、执行过程，更加深刻理解 Python 语言特性和疑难点。在解决一些疑难杂症时，查看代码对象的字节码往往有事半功倍的效果。

二、探索代码对象

Python 程序由代码块组成，代码块可以是模块、函数或类，也可以是脚本文件，还可以是python - c 'string'和exec ('string')、eval ('string')中字符串的内容。

两种方法：

  • fun.__code__ 获取函数 fun 主体的代码对象

  • compile('source code','','exec')获取代码块 source code 的代码对象

三、一个函数及其代码对象

我们定义一个函数fun(a,b)，它完成简单的加法运算。
def fun(a,b):
    return a+b 
来看它的代码对象属性情况，我们重点关注以 co_ 开头的属性。
for attr in dir(fun.fun.__code__):    if attr.startswith('co_'):        print('{attr}:\t{attrs}'.format(            attrs=getattr(attr=attr,fun.fun.__code__, attr)))
输出为：
co_argcount: 2
co_cellvars: ()
co_code: b'|\x00|\x01\x17\x00S\x00'
co_consts: (None,)
co_filename: G:\pythonCodeStudy\manuscript\0 bytecode\fun.py
co_firstlineno: 1
co_flags: 67
co_freevars: ()
co_kwonlyargcount: 0
co_lnotab: b'\x00\x01'
co_name: fun
co_names: ()
co_nlocals: 2
co_posonlyargcount: 0
co_stacksize: 2
co_varnames: ('a', 'b')

fun 函数主体的代码对象的属性意义如下：
  • co_argcount 函数形式参数个数，这个只有函数类型代码块的代码对象有，其它类型代码块没有该属性。
  • co_code 字节码指令序列，字节码都由操作码 opcode 和参数 opatg 组成的序列。
  • co_const 常量列表，列表内容包括如下：
    • None 函数返回值，系统自带。
    • 从前往后数所有字面常量：数字和字符串。
    • 内嵌函数代码对象 code object。
    • 内嵌函数的 qual_name 常量，如：outer..inner。
  • co_name 本函数的名字。
  • co_varnames 本函数 局部变量 ，不含被引用自由变量，包含形式参数和内嵌函数名。
  • co_names 本函数用到的非局部变量，也就是 全局变量、系统内置变量。
  • co_nlocals 本函数的局部变量个数。
  • co_cellvars cell 变量。
  • co_freevars 自由变量。
  • co_flag 代码对象的种类，比如协程、生成器等，其意义定义在 include/code.h 中。
  • co_lnotab 计算字节码偏移量代表的源代码行号的字节序列。两个字节序列为一个单位，指示两条源代码指令编译成的字节码之间偏移多少。
  • co_stacksize 执行字节码指令时，计算栈上最大的项目数，和函数参数个数有关。
Python虚拟机是基于栈的机器，每步函数调用产生栈帧（stack frame）。每个栈帧包含计算栈和块栈。所有参数压入计算栈，调用时弹栈，计算后弹出结果，结束本栈帧。
上例中，我们没有详细解释 co_cellvars 和 co_freevars，下面详细解释。

3.1 co_cellvars 和 co_freevars

co_cellvars 和 co_freevars 是一个相对的概念。我们写一个嵌套函数来解释这两个概念：函数 outer 中，定义了一个变量 e，被内部嵌套函数 inner 引用；inner 函数内部使用了变量 e，但是并未在该块内定义之。
def outer(o1, o2='o2'):    e = 'enclose'

    def inner(i1, i2='i2'):        print(e)        return e    return innerprint(outer.__code__.co_cellvars)print(outer('i1').__code__.co_freevars)
结果。
('e',)
('e',)
故此，我们知道：

  • co_cellvars 是被内部嵌套块（函数）引用的变量组成的元组。外部函数创建特殊的 cell 对象存储该变量，cell 对象的生存周期超过了定义它的外部函数。这句话理解就是：外部变量执行完之后，清理现场，它的变量都消失了，但 cell 对象不消失，仍然存在。这也就是所谓 * cell 变量*

  • co_freevars 就块内使用，但是并未在该块内定义的变量（不含全局变量、内置变量）。也就是当前块（函数） 引用的外部 cell 变量 组成的元组，和上个 co_cellvars 是相对的概念

这两个是一体两面的变量。

  • 外部变量 outer 作用域里，创建了变量 e 以及变量 inner （函数）。

  • 因为嵌套函数 inner 使用了外部变量 e ，所以在 outer 函数里， e 是作为 cell 变量，绑定到特殊的 cell 对象里。

  • 这个特殊的 cell 对象和 inner 绑定在了一起，这样 outer 作用域消失的时候， inner 内部借由 cell 对象访问到了 e 这个变量，它对 inner 函数来说是（来自 cell 对象的）自由变量。

掌握自由变量的概念，是编写带状态函数、装饰器的基础。

四、字节码细节

字节码看起来就像乱码，如上文 fun 函数的字节码：co_code : b '|\ x00 |\ x01 \ x17 \ x00S \ x00 '。
根据上文，字节码由一位操作码和一位参数组成的序列。让我们分析细节。
co_code [0]表示第一个操作码|，这是 ASCII 码 124 表示的字符，在 include/opcode.h 中，可以看到 124 是 LOAD_FAST 操作码，这是对局部变量列表进行的加载操作。其它类似的：比如 LOAD_CONST 就是对字面常量列表操作，LOAD_GLOBAL 是对全局变量操作。
如果操作码不带参数，参数可以省略。这里的第一个操作码的参数是 co_code[1] 为 0x00 。
因此，这个完整的字节码操作是把局部变量列表 co_varnames 的第 0x00 索引内容 a ，压入计算栈栈顶。
字节序列看起来比较费劲，让我们用 dis.dis(fun)来反汇编代码，得到字节码如下。
  2           0 LOAD_FAST                0 (a)              2 LOAD_FAST                1 (b)              4 BINARY_ADD              6 RETURN_VALUE
这样看起来就很简单了。
  • 第一列 2 表示源代码的第二行，也就是return a+b这一条。
  • 第二列的 0 表示该条操作码相对字节码开头的偏移量，LOAD_FAST 表示操作码，0 表示参数，(a)是由 dis 生成的，即局部变量元组第 0 个元素 a。本条将变量 a 压入计算栈。
  • 以此类推第二条，将局部变量 b 压入计算栈。
  • 第三条 BINARY_ADD 没有参数，它是求和，将 a 和 b 弹出，求和，结果压入计算栈栈顶。
  • 第四条 RETURN_VALUE 弹出结果，结束本栈帧。
Python 编译产生 pyc 文件：Python3 之前是在本地目录产生，之后是在 pycache 目录下。我们打开上例产生的 pyc 文件，使用十六进制查看，能明显发现，编译的字节码就直接在 PYC 文件里。

五、其它代码块代码对象

上例中，我们对函数进行反汇编，使用的是 dis.dis(fun)指令，这里的 fun 是函数。
第二部分说过得到代码对象有两种方法，当我们对其它代码对象进行 compile 时，实际是对该模块进行反编译。如果此时该代码块里有函数，只会产生代码对象，不会产生真正的函数对象。
比如如下语句：print(dis.dis(compile('def fun(a,b): return a+b', '', 'exec')))，输出如下。可见此时的函数只是一个代码对象，作为常量载入，MAKE_FUNCTION 后，赋值给 fun 局部变量。
  1           0 LOAD_CONST               0 (<code object fun at 0x00A67B18, file
 '', line 1>)
              2 LOAD_CONST               1 ('fun')
              4 MAKE_FUNCTION            0
              6 STORE_NAME               0 (fun)
              8 LOAD_CONST               2 (None)
             10 RETURN_VALUE

六、总结

代码对象封装了 Python 虚拟机的字节码和其它编译相关信息，可以把字节码称为 Python 虚拟机上的汇编语言。我们分析了自由变量和 cell 变量，掌握自由变量的概念，这是编写装饰器、带状态函数的基础。字节码由一位操作码和一位参数组成的序列，学习其细节，有助于我们理解 Python 的特性。可在分析变量作用域、闭包时作为强大的工具。

作者：巩庆奎，大奎，对计算机、电子信息工程感兴趣。gongqingkui at 126.com

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