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深入理解python之Opcode备忘录

深入理解python之Opcode备忘录

作者: light_cong | 来源:发表于2017-04-09 14:25 被阅读440次

    在学习和使用python的过程中,难免碰到一些不理解的地方,有时候还会因此踩到坑里许久爬不出来。这种情况下,一种解决问题的手段是,查看python 代码“编译”后的中间代码序列。同许多虚拟机托管型语言一样,python 的前端编译器将python代码转译为自己定义的中间代码,中间代码会被虚拟机解释执行(如python等脚本型语言),或者经过二次(部分)编译为native代码运行(如java,c#)。中间代码通常都有两种等价的表现形式,一种是方便机器执行的bytecode 形式,另一种则是方便程序员阅读的指令序列形式。通过python的dis模块,我们可以轻松得到一个python函数对应的指令序列。

    dis模块

    dis 模块是python 的所谓反汇编模块,功能是将字节码转为可阅读的指令码。

    dis中的重要api:

    • dis.dis

    解析一个bytesource object,所谓bytesourse object 指的是含有code object 的对象
    (module,class,method,function...etc)

    针对于不同的对象类型,dis的效果不同:

    对象类型 dis效果
    function 返回指令序列
    module 返回每个函数的指令序列
    class 返回每个方法的指令序列
    code object 返回指令序列
    • dis.distb

    解析当前出现异常的函数的指令序列,用于调试。

    例子:

    try:
        result = 1/0
    except:
        import dis
        import sys
        exc_type, exc_value, exc_tb = sys.exc_info()
        dis.distb(exc_tb)
    

    指令码(opcode)列表

    注意:下文中的tos 代表栈顶元素,tos1 代表次栈顶元素,依次类推。。。

    tos
    tos1
    tos2

    栈中元素移动操作

    NOP

    不做动作,占位指令,用于优化

    POP_TOP

    函数栈顶元素出栈

    ROT_TWO

    栈顶的头两个元素交换位置

    ROT_THREE

    栈顶的头三个元素做如下循环位移变换:
    3->2, 2->1, 1->3

    ROT_FOUR

    栈顶的头四个元素做循环位移变换

    DUP_TOP

    把栈顶元素复制一份压回栈中

    DUP_TOPX(count)

    把栈顶的count 个元素复制一份,保持原有顺序压回栈中,其中1<=count<=5

    一元运算

    将栈顶元素取出,进行操作,再push回栈中。

    UNARY_NEGATIVE()

    取负:TOS = -TOS.

    UNARY_NOT()

    一元取反: TOS = not TOS.

    UNARY_INVERT()

    一元按位取反:TOS = ~TOS.

    GET_ITER()

    取迭代器: TOS = iter(TOS)
    在for 语句中用到,执行type(TOS).tp_iter 创建迭代器

    二元运算

    将栈顶的前两个元素取出进行计算,结果压回栈中

    BINARY_POWER()

    幂运算: TOS = TOS1 ** TOS.

    BINARY_MULTIPLY()

    乘法运算:TOS = TOS1 * TOS.

    BINARY_DIVIDE()

    除法 TOS = TOS1 / TOS

    3/2=1
    

    BINARY_TRUE_DIVIDE()

    保存浮点精度的除法 TOS = TOS1 / TOS
    引入 future.division 后,除号对应的指令替换为binary_true_divide

    from __future__ import division 
    3/2=1.5
    

    BINARY_FLOOR_DIVIDE()

    保存浮点精度的除法: TOS = TOS1 // TOS.
    3//2=1.5

    BINARY_MODULO()

    取模运算 TOS = TOS1 % TOS.

    BINARY_ADD()

    加法: TOS = TOS1 + TOS.

    BINARY_SUBTRACT()

    减法: TOS = TOS1 - TOS.

    BINARY_LSHIFT()

    左移:TOS = TOS1 << TOS.

    BINARY_RSHIFT()

    右移: TOS = TOS1 >> TOS.

    BINARY_AND()

    与运算 :TOS = TOS1 & TOS.

    BINARY_XOR()

    异或运算 :TOS = TOS1 ^ TOS.

    BINARY_OR()

    或运算:TOS = TOS1 | TOS.

    in place 运算

    计算结果可以被操作数引用的到
    看起来,就是不耗费额外的空间存储结果
    每一个 二元运算,都对应一个inplace 运算

    INPLACE_POWER()

    INPLACE_MULTIPLY()

    INPLACE_DIVIDE()

    INPLACE_FLOOR_DIVIDE()

    INPLACE_TRUE_DIVIDE()

    INPLACE_MODULO()

    INPLACE_ADD()

    INPLACE_SUBTRACT()

    INPLACE_LSHIFT()

    INPLACE_RSHIFT()

    INPLACE_AND()

    INPLACE_XOR()

    INPLACE_OR()

    切片操作

    访问

    SLICE

    Implements TOS = TOS[:].

    SLICE_1

    Implements TOS = TOS1[TOS:].

    SLICE_2

    Implements TOS = TOS1[:TOS].

    SLICE_3

    Implements TOS = TOS2[TOS1:TOS].

    赋值

    不会对栈空间本身压入任何东西

    STORE_SLICE+0()

    TOS[:] = TOS1.影响的是 栈上存储的操作数 TOS(实际上是PyList_Object)对象所引用的list

    STORE_SLICE+1()

    TOS1[TOS:] = TOS2.

    STORE_SLICE+2()

    TOS1[:TOS] = TOS2.

    STORE_SLICE+3()

    TOS2[TOS1:TOS] = TOS3.

    删除

    DELETE_SLICE+0()

    del TOS[:].

    DELETE_SLICE+1()

    del TOS1[TOS:].

    DELETE_SLICE+2()

    del TOS1[:TOS].

    DELETE_SLICE+3()

    del TOS2[TOS1:TOS].

    下标访问操作

    BINARY_SUBSCR()

    索引运算: TOS = TOS1[TOS].

    STORE_SUBSCR()

    TOS1[TOS] = TOS2.

    DELETE_SUBSCR()

    del TOS1[TOS].

    打印操作

    PRINT_ITEM()

    打印栈顶元素到标准输出

    PRINT_NEWLINE()

    打印回车

    break && continue

    BREAK_LOOP()

    break语句
    原理:取pytry_block 中的handler 获取循环结束后的下一条指令地址,从而完成跳出循环操作

    CONTINUE_LOOP(target)

    continue 语句
    实际的代码中,没有见到使用,用的是jump 指令

    返回值系列

    RETURN_VALUE

    将栈顶元素tos返回给函数调用者

    YIELD_VALUE

    将栈顶元素tos 作为生成器返回值返回。

    import 系列

    IMPORT_STAR

    将栈顶module 对象中全部的名字(非_ 开头)引入到当前local名字空间中,栈顶module 弹栈.
    用于实现
    from module import *

    IMPORT_NAME(name)

    实现import xxx,引发整个import 逻辑,最后只返回一个根module,给名字空间引用
    最后将一个module object 压栈,接着跟一个store

    IMPORT_FROM(name)

    实现 from xxx import xxx,引发整个import 逻辑,最后返回相应的module 给名字空间引用
    最后将一个module object 压栈,接着跟一个store

    block 与异常

    POP_BLOCK()

    将当前py_tryblock 从栈f_blockstack弹出,py_tryblock 是用于记录 循环,异常跳转地址等信息的数据结构.

    pyTryBlock 结构的定义:

    typedef struct{
        int b_type;  //SETUP_LOOP/SETUP_EXCEPTION给出跳出正常指令流的原因
        int b_handler;  //给出下一条指令的地址。
    };
    

    pyTryBlock 定义在 pyFrameObject 中

    PyFrameObject{
        pyTryBlockstack  f_blockstack[20]   // 最大为20  意味着不能有嵌套20层以上的循环或者异常
        int f_iblock 
    }
    

    END_FINALLY

    当异常不匹配时,重新保存异常信息,设置异常发生状态标识,开始栈展开动作

    RAISE_VARARGS(argc)

    对应于raise 语句,argc 指定了raise语句后面跟的参数个数,参数个数范围为0-3

    SETUP_LOOP(delta)

    占用一个py_tryblock,类型设置为loop

    SETUP_EXCEPT(delta)

    占用一个py_tryblock,类型设置为except

    SETUP_FINALLY(delta)

    占用一个py_tryblock,类型设置为finally

    build 系列

    BUILD_CLASS

    利用当前栈上信息创建类
    执行build class 之前栈上准备好的信息有:
    method_dic 基类名 元组类名

    BUILD_TUPLE(count)

    创建元祖 从栈顶取count 个元素,创建一个元素对象再压入栈中

    BUILD_LIST(count)

    创建列表,原理同tuple

    BUILD_SET(count)

    创建集合,原理同tuple

    BUILD_MAP(count)

    创建map,原理同tuple,单个元素为(PyDictEntry)

    typedef struct{
    hash
    key
    value
    }PydictEntry;
    

    BUILD_SLICE(argc)

    创建一个slice 对象,slice对象 就是用来保存切片操作的三个参数(start,stop,step)的,
    用于切片操作里的参数传递。

    myslice = slice(0,5,1) # 生成一个切片对象   
    l = list(range(10))  #创建一个list
    print l[myslice]  #将切片对象应用于切片操作
    

    make,创建函数(闭包)pyfunctionobject对象

    MAKE_FUNCTION(argc)

    创建一个pyfunctionobject,并将其压栈

    栈上参数准备:code obj,默认参数1,默认参数2...
    
    pyfunctionobject.func_code=code obj
    pyfunctionobjec.func_defaults=tuple(默认参数1,默认参数2...)
    

    MAKE_CLOSURE(argc)

    创建一个pyfunctionobject,并将其压栈

    栈上参数准备:code obj,cell_tuple,默认参数1,默认参数2
    pyfunctionobject.func_code=code obj
    pyfucntionobject.func_closure=cell_tuple
    pyfunctionobjec.func_defaults=tuple(默认参数1,默认参数2...)
    

    with 语句

    SETUP_WITH

    调用对象的enter

    WITH_CLEANUP

    调用对象的exit

    赋值,访问名字

    1.访问name:

    以lgb 规则访问名字空间

    (frame->f_locals,frame->f_globals,frame->f_builtins)

    STORE_NAME

    为名字赋一个引用对象,对象由栈顶弹栈得到

    DELETE_NAME

    del name

    LOAD_NAME

    将名字引用的对象压栈

    2.访问全局变量

    STORE_GLOBAL

    LOAD_GLOBAL

    DEL_GLOBAL

    3.访问对象中的属性

    STORE_ATTR

    LOAD_ATTR

    DELETE_ATTR

    4.访问函数内部的局部变量,参数等

    STORE_FAST

    LOAD_FAST

    DELETE_FAST

    5.访问函数闭包的pycellobject

    位于pyframeobject.f_localsplus 的freevars部分(里面保存cell,free对象)

    STORE_DEREF

    LOAD_DEREF (用于闭包函数对象调用)

    LOAD_CLOSURE (用于闭包函数对象创建)

    DELETE_DEREF

    6.访问常量

    LOAD_CONST

    跳转系列

    COMPARE_OP(opname)

    对栈顶的两个元素做opname 指定的比较操作,运算结果压栈

    JUMP_FORWARD(delta)

    相对跳转,向前跳delta 字节

    POP_JUMP_IF_TRUE(target)

    如果当前栈顶结果为true,那么向前跳转至target,同时tos 弹栈

    POP_JUMP_IF_FALSE(target)

    如果当前栈顶结果为false,那么向前跳转至target,同时tos 弹栈

    JUMP_IF_TRUE_OR_POP(target)

    如果当前栈顶结果为true,那么向前跳转至target,同时保留tos,否则tos 弹栈

    JUMP_IF_FALSE_OR_POP(target)

    如果当前栈顶结果为false,那么向前跳转至target,同时保留tos,否则tos 弹栈

    call 系列

    CALL_FUNCTION(argc)

    调用一个函数
    调用该指令前,需要将pyfuntionobject,和实参(位置参数,键参数)压栈
    在创建类时,也有调用(联想闭包的创建,凡是嵌套的def 定义,都是要在执行时创建,所以需要call 来执行)

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