（Python学习9）Python虚拟机中的一般表达式

1、准备工作

执行.py程序时，Python解释器对PyCodeObject的co_code存储的字节码进行解释执行，同时co_consts存储了常量，co_names存储了变量名称。用compile()可将.py编译为PyCodeObject，dis模块可对PyCodeObject的字节码反编译。
构建工具co_dist.py：

source = open('test.py').read()
co = compile(source, 'test.py', 'exec')
print("const\t:\t", co.co_consts)
print("name\t:\t", co.co_names)

import dis
dis.dis(co)

测试程序test.py：

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

执行co_dist可得结果：

const	:	 (1, 'efei', None)
name	:	 ('i', 's', 'd', 'l')
  1           0 LOAD_CONST               0 (1) 
              3 STORE_NAME               0 (i) 


  2           6 LOAD_CONST               1 ('efei') 
              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 

可看到consts存储的对象，names存储的值，并且都是以PyTupleObject存储的。
紧接着是字节码的反编译结果，从左只右依次表示：源代码中行号、co_code中字节序号、汇编指令、参数、以及参数代表的含义。

以分析框架为主，如无必要，对汇编指令对应的函数不再具体分析。
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2、简单对象创建

看第一条 i = 1：

  1           0 LOAD_CONST               0 (1) 
              3 STORE_NAME               0 (i) 

其中：

case LOAD_CONST:
	x = GETITEM(consts, oparg);
	Py_INCREF(x);
	PUSH(x);
	
#define GETITEM(v, i) PyTuple_GetItem((v), (i))

oparg即为传入的参数0。所以LOAD_CONST 0 解释为：从consts中取出第0个对象x，将x压入运行栈中。

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;
	}

STORE_NAME 0 的解释为：从名为names中取出第0个对象w，运行时栈中弹出v，将(w, v)放入_dict对象f_locals中，即局部变量。
这两句汇编指令运行的状态图如下：

 2           6 LOAD_CONST               1 ('efei') 
              9 STORE_NAME               1 (s) 

运行时的状态图：

  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 

类似，只不过BUILD_MAP创建一个_dict对象,BUILD_LIST创建一个_list对象。

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

BUILD_MAP 直接创建一个空对象，然后入栈；BUILD_LIST创建一个对象之后会将前面oparg栈中的对象弹出放入_list对象中，然后将_list对象入栈。
最后两条语句需注意，将返回值（Node）压入栈中，供ETURN_VALUE调用。
最终如下：

3、复杂内建对象创建

i = 1
s = "efei"
d = {"1":1, "2":2}
l = [1, 2]

const	:	 (1, 'efei', '1', 2, '2', None)
name	:	 ('i', 's', 'd', 'l')
  1           0 LOAD_CONST               0 (1) 
              3 STORE_NAME               0 (i) 


  2           6 LOAD_CONST               1 ('efei') 
              9 STORE_NAME               1 (s) 


  3          12 BUILD_MAP                2 				// 新建空_dict，并压入栈
             15 LOAD_CONST               0 (1) 			// 将第一个元素的key压入栈
             18 LOAD_CONST               2 ('1') 		// 将第一个元素的val压入栈
             21 STORE_MAP            					// 将第一个元素放入_dict
             22 LOAD_CONST               3 (2) 			// 第二个元素……
             25 LOAD_CONST               4 ('2')		 		
             28 STORE_MAP            
             29 STORE_NAME               2 (d) 			// 将_dict放入f_locals


  4          32 LOAD_CONST               0 (1) 			// 将list中的元素压入栈
             35 LOAD_CONST               3 (2) 			// ……
             38 BUILD_LIST               2 				// 创建_list，并将栈中的前2个对象放入_list
             41 STORE_NAME               3 (l) 			// 将_list放入f_locals
             44 LOAD_CONST               5 (None) 
             47 RETURN_VALUE         

如上，需注意 d = {"1":1, "2":2} 的汇编指令与《Python源码剖析》中不同，书中用的Python2.5，本处用的Python3.3，其实Python2.7.5也是上述指令。

case STORE_MAP:
	w = TOP();     /* key */
	u = SECOND();  /* value */
	v = THIRD();   /* dict */
	STACKADJ(-2);
	assert (PyDict_CheckExact(v));
	err = PyDict_SetItem(v, w, u);  /* v[w] = u */
	Py_DECREF(u);
	Py_DECREF(w);

比Pyhotn2.5逻辑更清晰，汇编指令更清晰了，STORE_MAP的操纵也更清晰了。

4、其他

a = 5
b = a
c = a + b
print(c)

const	:	 (5, None)
name	:	 ('a', 'b', 'c', 'print')
  1           0 LOAD_CONST               0 (5) 
              3 STORE_NAME               0 (a) 


  2           6 LOAD_NAME                0 (a)		// 在名字空间中搜索a，并将其值压入栈
              9 STORE_NAME               1 (b) 


  3          12 LOAD_NAME                0 (a) 
             15 LOAD_NAME                1 (b) 
             18 BINARY_ADD           				// 相加，将结果压入栈
             19 STORE_NAME               2 (c) 


  4          22 LOAD_NAME                3 (print) 	// 搜索并压入函数对象
             25 LOAD_NAME                2 (c) 		// 搜索并压入C对应的对象
             28 CALL_FUNCTION            1 (1 positional, 0 keyword pair) 
             31 POP_TOP              
             32 LOAD_CONST               1 (None) 
             35 RETURN_VALUE         

b = a 的汇编指令为 LOAD_NAME 与 STORE_NAME。LOAD_NAME实质为，依次在f_locals、f_globals、f_builtins中搜索，如果找到则将相应的对象压入栈中，找不到会终止解释器运行。（其实栈中存储的均为对象的指针……）

执行后，已经将具体值赋给了b，图示如下：

BINARY_ADD 实质为处理对象相加的函数。需注意：若两对象都是PyStringObject或PyIntObject，处理速度较快，否则会调用其他函数处理速度较慢。

print的汇编指令也与书中不同，Python3.x中print已经变作一个函数，也是一种对象，可以将其指针压入栈中。可以推测，CALL_FUNCTION会通过传入的参数来分辨函数指针与该函数需用的参数。CALL_FUNCTION最终会将执行结果压入栈中，故调用结束时还需弹出。

为验证推测，添加语句print(a,b)汇编指令会添加

  5          32 LOAD_NAME                3 (print) 
             35 LOAD_NAME                0 (a) 
             38 LOAD_NAME                1 (b) 
             41 CALL_FUNCTION            2 (2 positional, 0 keyword pair) 
             44 POP_TOP   

和预测相符。