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Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2023-07-30
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
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。

  • 如果栈顶元素为true,则改变字节码执行位置为接收的参数值的指令为“POP_JUMP_IF_TRUE”。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。如果栈顶元素为 false,就必须弹出该元素。

  • 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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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 。

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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 。

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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 。

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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:

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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。

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