當(dāng)我print時(shí)，Python做了什么

寫了這么久的程序，不知道大家有沒有思考過，Python到底在干嘛呢？

或者換句話說，當(dāng)我們執(zhí)行Python代碼的時(shí)候，是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

眾所周知，Python是一門解釋型的語言

——所謂“解釋型”，當(dāng)然是區(qū)別于以C語言為代表的編譯型語言。編譯型語言需要將整個(gè)程序文件全部轉(zhuǎn)換為可以直接由機(jī)器執(zhí)行的二進(jìn)制文件；而解釋型語言則是由相應(yīng)的解釋器一行一行“解釋”并執(zhí)行代碼描述的行為。

正是因此，對(duì)于新接觸的人來說，Python這樣的解釋性語言很多時(shí)候需要執(zhí)行到相應(yīng)的語句，才會(huì)發(fā)現(xiàn)一些顯然的錯(cuò)誤。

話說回來，Python的解釋器是怎么樣來“解釋”Python代碼的呢？

實(shí)際上，類似于Java的執(zhí)行機(jī)制，Python也擁有自己的虛擬機(jī)。而這個(gè)虛擬機(jī)實(shí)際上執(zhí)行的也是一種“字節(jié)碼”。

在Python程序的執(zhí)行中依然存在一個(gè)“編譯”的過程：將Python代碼編譯為字節(jié)碼。

并且，Python也提供了一個(gè)名為dis模塊，用于查看、分析Python的字節(jié)碼。

1. dis模塊

舉例來說，dis模塊中有一個(gè)同名函數(shù)dis，可以用于將當(dāng)前命名空間中的對(duì)象反匯編為字節(jié)碼。

import dis
def add(add_1, add_2):    sum_value = add_1 + add_2
dis.dis(add)

執(zhí)行結(jié)果為：

  4           0 LOAD_FAST                0 (add_1)              2 LOAD_FAST                1 (add_2)              4 BINARY_ADD              6 STORE_FAST               2 (sum_value)              8 LOAD_CONST               0 (None)             10 RETURN_VALUE

其中，開頭的數(shù)字“4”表示字節(jié)碼的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于腳本中第4行的內(nèi)容。

隨后的一列數(shù)字則表示對(duì)應(yīng)指令所在的地址。縱向觀察可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：下一條指令的地址總比上一條指令的地址大2。這是巧合嗎？

顯然不是的。官方文檔《dis --- Python 字節(jié)碼反匯編器》中記錄的更改顯示，從Python 3.6版本開始，”每條指令使用2個(gè)字節(jié)“。所以每條指令的地址會(huì)在上一條指令地址的基礎(chǔ)上加2。

再往后，是一列表示指令含義的單詞組合，實(shí)際上就是人類可讀的對(duì)應(yīng)指令名稱。顧名思義，LOAD_FAST就是加載某個(gè)內(nèi)容/對(duì)象到某處，”FAST“很可能意味著這是一個(gè)便捷快速的命令實(shí)現(xiàn)。

最右邊，則是對(duì)應(yīng)于當(dāng)前命令的操作數(shù)，即操作對(duì)象。數(shù)字同樣是一個(gè)類似于地址的表示，括號(hào)中的字符串則表示相應(yīng)對(duì)象在Python代碼中的具體名稱。

這樣我們就可以大概地閱讀生成的字節(jié)碼了：

首先Python將函數(shù)add的第一個(gè)參數(shù)add_1加載到某處，緊跟著將第二個(gè)參數(shù)add_2加載到第一個(gè)參數(shù)之后。然后調(diào)用了一個(gè)名為BINARY_ADD的指令，即對(duì)之前加載的兩個(gè)參數(shù)做加法。再然后則是將加法所得的和sum_value存儲(chǔ)在了另一個(gè)位置。最后，加載了一個(gè)常量None并返回。

其實(shí)讀完上面這個(gè)執(zhí)行過程，我們很容易想到一種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——棧。

像下面這樣：

當(dāng)然這并不是本文的重點(diǎn)——真要探討Python的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，還得另外寫幾篇長文才能說得一二。

使用dis.dis函數(shù)除了可以查看當(dāng)前腳本中各個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼，還可以直接傳入一段代碼對(duì)應(yīng)的字符串進(jìn)行反匯編：

# test_dis.pyimport dis

s = """def add(add_1, add_2):    sum_value = add_1 + add_2
print("Hello World!")
import sys"""
dis.dis(s)

匯編結(jié)果：

  2           0 LOAD_CONST               0 (", line 2>)              2 LOAD_CONST               1 ('add')              4 MAKE_FUNCTION            0              6 STORE_NAME               0 (add)
  5           8 LOAD_NAME                1 (print)             10 LOAD_CONST               2 ('Hello World!')             12 CALL_FUNCTION            1             14 POP_TOP
  7          16 LOAD_CONST               3 (0)             18 LOAD_CONST               4 (None)             20 IMPORT_NAME              2 (sys)             22 STORE_NAME               2 (sys)             24 LOAD_CONST               4 (None)             26 RETURN_VALUE

2. compile函數(shù)

除了在程序中直接給出要反匯編的程序形成的字符串，我們還可以通過使用內(nèi)置函數(shù)compile來形成相應(yīng)腳本的編譯對(duì)象，再使用dis.dis查看其字節(jié)碼內(nèi)容。

# test_compile.pyimport dis
with open("test_dis.py", "r", encoding="utf-8") as f:    s = f.read()
compile_obj = compile(s, "test_dis.py","exec")
dis.dis(compile_obj)

字節(jié)碼輸出結(jié)果：

  1           0 LOAD_CONST               0 (0)              2 LOAD_CONST               1 (None)              4 IMPORT_NAME              0 (dis)              6 STORE_NAME               0 (dis)
 11           8 LOAD_CONST               2 ('\ndef add(add_1, add_2):\n    sum_value = add_1 + add_2\n\nprint("Hello World!")\n\nimport sys\n')             10 STORE_NAME               1 (s)
 13          12 LOAD_NAME                0 (dis)             14 LOAD_METHOD              0 (dis)             16 LOAD_NAME                1 (s)             18 CALL_METHOD              1             20 POP_TOP             22 LOAD_CONST               1 (None)             24 RETURN_VALUE

總結(jié)

dis模塊為我們提供了一個(gè)觀察Python內(nèi)部機(jī)制的手段，恰當(dāng)?shù)厥褂?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(30, 107, 184);background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;">dis模塊，并結(jié)合其他方法，可以快速有效弄懂一些Python令人迷惑的地方。

希望大家善于利用這樣一些有用的工具。

參考

[dis --- Python 字節(jié)碼反匯編器]https://docs.python.org/zh-cn/3/library/dis.html

[談?wù)?Python 程序的運(yùn)行原理]https://www.cnblogs.com/restran/p/4903056.html

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