Python虚拟机中的一般表达式（一）

在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;

巴特西

Python虚拟机中的一般表达式（一）

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