Python虚拟机字节码教程之控制流实现详解

2023-04-11 09:06:17 作者：一无是处的研究僧

在本篇文章当中主要给大家分析 python 当中与控制流有关的字节码，通过对这部分字节码的了解，我们可以更加深入了解 python 字节码的执行过程和控制流实现原理

控制流实现

控制流这部分代码主要涉及下面几条字节码指令，下面的所有字节码指令都会有一个参数：

JUMP_FORWARD，指令完整条指令会将当前执行字节码指令的位置加上这个参数，然后跳到对应的结果继续执行。
POP_JUMP_IF_TRUE，如果栈顶元素等于 true，将字节码的执行位置改成参数的值。将栈顶元素弹出。
POP_JUMP_IF_FALSE，这条指令和 POP_JUMP_IF_TRUE 一样，唯一差别就是判断栈顶元素是否等于 true。
JUMP_IF_TRUE_OR_POP，如果栈顶元素等于等于 true 则将字节码执行位置设置成参数对应的值，并且不需要将栈顶元素弹出。但是如果栈顶元素是 false 的话那么就需要将栈顶元素弹出。
JUMP_IF_FALSE_OR_POP，和JUMP_IF_TRUE_OR_POP一样只不过需要栈顶元素等于 false 。
JUMP_ABSOLUTE，直接将字节码的执行位置设置成参数的值。

总的来说，这些跳转指令可以让 Python 的解释器在执行字节码时根据特定条件来改变执行流程，实现循环、条件语句等基本语言结构。

现在我们使用一个例子来深入理解上面的各种指令的执行过程。

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)

上面的程序输出结果如下所示：

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

我们现在来模拟一下上面的字节码执行过程，我们使用 counter 表示当前字节码的执行位置：

在字节码还没开始执行之前，栈空间和 counter 的状态如下：

现在执行第一条字节码 LOAD_CONST，执行完之后 counter = 2，因为这条字节码占一个字节，参数栈一个字节，因此下次执行的字节码的位置在 bytecode 的低三个位置，对应的下标为 2，因此 counter = 2 。

现在执行第二条字节码 STORE_FAST，让 a 指向 1 ，同样的 STORE_FAST 操作码和操作数各占一个字节，因此执行完这条字节码之后栈空间没有数据，counter = 4 。

接下来 LOAD_FAST 将 a 指向的对象也就是 1 加载进入栈中，此时的 counter = 6，LOAD_CONST 将常量 1 加载进行入栈空间当中，此时 counter = 8，在执行完这两条指令之后，栈空间的变化如下图所示：

接下来的一条指令是 COMPARE_OP ，这个指令有一个参数表示比较的符号，这里是比较 a > 1，并且会将比较的结果压入栈中，比较的结果是 false ，因为 COMPARE_OP 首先会将栈空间的两个输入弹出，因此在执行完这条指令之后栈空间和 counter 的值如下：

下面一条指令为 POP_JUMP_IF_FALSE，根据前面的字节码含义，这个字节码会将栈顶的 false 弹出，并且会进行跳转，并且将 counter 的值直接编程参数的值，这里他的参数是 22 ，因此 counter = 22，在执行完这条指令之后，结果如下：

因为现在已经跳转到了 22 ，因此接下来执行的指令为 LOAD_FAST，将变量 a 加载进入栈空间，LOAD_CONST 将常量 1 加载进入栈空间，在执行完这两条执行之后，变化情况如下：

在次执行 POP_JUMP_IF_FALSE，这回的结果也是 false ，因此继续执行 POP_JUMP_IF_FALSE，这次的参数是 40，直接将 counter 的值设置成 40 。

接下来 LOAD_GLOBAL 加载一个全局变量 print 函数 counter 变成 42 ，LOAD_CONST 加载字符串 "a == 1" 进入栈空间，counter = 44，此时状态如下：

CALL_FUNCTION 这个字节码有一个参数，表示调用函数的参数的个数，这里是 1，因为 print 函数只有一个参数，然后输出字符串 "a== 1"，但是这里需要注意的是 print 函数会返回一个 None，因此执行完 CALL_FUNCTION 之后状态如下：

至此差不多上面的函数差不多执行完了，后面几条字节码很简单，就不再进行叙述了。

总结

在 Python 中，控制流指令可以让解释器根据特定条件改变执行流程，实现循环、条件语句等基本语言结构。Python 中与控制流有关的字节码指令包括 JUMP_FORWARD、POP_JUMP_IF_TRUE、POP_JUMP_IF_FALSE、JUMP_IF_TRUE_OR_POP、JUMP_IF_FALSE_OR_POP 和 JUMP_ABSOLUTE 等。这些指令都有一个参数，主要是用来计算跳转的目标位置等。通过对这些指令的了解，我们可以更深入地理解 Python 字节码的执行过程和控制流实现原理。

到此这篇关于Python虚拟机字节码教程之控制流实现详解的文章就介绍到这了,更多相关Python字节码控制流内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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控制流实现

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