深入理解 python 虚拟机：令人拍案叫绝的字节码设计
在本篇文章当中主要给大家介绍 cpython 虚拟机对于字节码的设计以及在调试过程当中一个比较重要的字段 co_lnotab 的设计原理！
python 字节码设计
一条 python 字节码主要有两部分组成，一部分是操作码，一部分是这个操作码的参数，在 cpython 当中只有部分字节码有参数，如果对应的字节码没有参数，那么 oparg 的值就等于 0 ，在 cpython 当中 opcode
opcode 和 oparg 各占一个字节，cpython 虚拟机使用小端方式保存字节码。
我们使用下面的代码片段先了解一下字节码的设计：
import dis
def add(a, b):
return a + b
if __name__ == '__main__':
print(add.__code__.co_code)
print("bytecode: ", list(bytearray(add.__code__.co_code)))
dis.dis(add)
上面的代码在 python3.9 的输出如下所示：
b'|x00|x01x17x00Sx00'
bytecode: [124, 0, 124, 1, 23, 0, 83, 0]
5 0 LOAD_FAST 0 (a)
2 LOAD_FAST 1 (b)
4 BINARY_ADD
6 RETURN_VALUE
首先 需要了解的是 add.__code__.co_code 是函数 add 的字节码，是一个字节序列，list(bytearray(add.__code__.co_code)) 是将和这个序列一个字节一个字节进行分开，并且将其变成 10 进制形式。根据前面我们谈到的每一条指令——字节码占用 2 个字节，因此上面的字节码有四条指令：
操作码和对应的操作指令在文末有详细的对应表。在上面的代码当中主要使用到了三个字节码指令分别是 124，23 和 83 ，他们对应的操作指令分别为 LOAD_FAST，BINARY_ADD，RETURN_VALUE。他们的含义如下：
- LOAD_FAST：将 varnames[var_num] 压入栈顶。
- BINARY_ADD：从栈中弹出两个对象并且将它们相加的结果压入栈顶。
- RETURN_VALUE：弹出栈顶的元素，将其作为函数的返回值。
首先我们需要知道的是 BINARY_ADD 和 RETURN_VALUE，这两个操作指令是没有参数的，因此在这两个操作码之后的参数都是 0 。
但是 LOAD_FAST 是有参数的，在上面我们已经知道 LOAD_FAST 是将 co-varnames[var_num] 压入栈，var_num 就是指令 LOAD_FAST 的参数。在上面的代码当中一共有两条 LOAD_FAST 指令，分别是将 a 和 b 压入到栈中，他们在 varnames 当中的下标分别是 0 和 1，因此他们的操作数就是 0 和 1 。
字节码扩展参数
在上面我们谈到的 python 字节码操作数和操作码各占一个字节，但是如果 varnames 或者常量表的数据的个数大于 1 个字节的表示范围的话那么改如何处理呢？
为了解决这个问题，cpython 为字节码设计的扩展参数，比如说我们要加载常量表当中的下标为 66113 的对象，那么对应的字节码如下：
[144, 1, 144, 2, 100, 65]
其中 144 表示 EXTENDED_ARG，他本质上不是一个 python 虚拟机需要执行的字节码，这个字段设计出来主要是为了用与计算扩展参数的。
100 对应的操作指令是 LOAD_CONST ，其操作码是 65，但是上面的指令并不会加载常量表当中下标为 65 对象，而是会加载下标为 66113 的对象，原因就是因为 EXTENDED_ARG 。
现在来模拟一下上面的分析过程：
- 先读取一条字节码指令，操作码等于 144 ，说明是扩展参数，那么此时的参数 arg 就等于 (1 x (1
- 读取第二条字节码指令，操作码等于 144 ，说明是扩展参数，因为前面 arg 已经存在切不等于 0 了，那么此时 arg 的计算方式已经发生了改变，arg = arg
- 读取第三条字节码指令，操作码等于 100，此时是 LOAD_CONST 这条指令，那么此时的操作码等于 arg += 65，因为操作码不是 EXTENDED_ARG 因此操作数不需要在乘以 256 了。
上面的计算过程用程序代码表示如下，下面的代码当中 code 就是真正的字节序列 HAVE_ARGUMENT = 90 。
def _unpack_opargs(code):
extended_arg = 0
for i in range(0, len(code), 2):
op = code[i]
if op >= HAVE_ARGUMENT:
arg = code[i+1] | extended_arg
extended_arg = (arg 我们可以使用代码来验证我们前面的分析：
import dis
def num_to_byte(n):
return n.to_bytes(1, "little")
def nums_to_bytes(data):
ans = b"".join([num_to_byte(n) for n in data])
return ans
if __name__ == '__main__':
# extended_arg extended_num opcode oparg for python_version > 3.5
bytecode = nums_to_bytes([144, 1, 144, 2, 100, 65])
print(bytecode)
dis.dis(bytecode)
上面的代码输出结果如下所示：
b'x90x01x90x02dA'
0 EXTENDED_ARG 1
2 EXTENDED_ARG 258
4 LOAD_CONST 66113 (66113)
根据上面程序的输出结果可以看到我们的分析结果是正确的。
源代码字节码映射表
在本小节主要分析一个 code object 对象当中的 co_lnotab 字段，通过分析一个具体的字段来学习这个字段的设计。
import dis
def add(a, b):
a += 1
b += 2
return a + b
if __name__ == '__main__':
dis.dis(add.__code__)
print(f"{list(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = }")
print(f"{add.__code__.co_firstlineno = }")
首先 dis 的输出第一列是字节码对应的源代码的行号，第二列是字节码在字节序列当中的位移。
上面的代码输出结果如下所示：
源代码的行号 字节码的位移
6 0 LOAD_FAST 0 (a)
2 LOAD_CONST 1 (1)
4 INPLACE_ADD
6 STORE_FAST 0 (a)
7 8 LOAD_FAST 1 (b)
10 LOAD_CONST 2 (2)
12 INPLACE_ADD
14 STORE_FAST 1 (b)
8 16 LOAD_FAST 0 (a)
18 LOAD_FAST 1 (b)
20 BINARY_ADD
22 RETURN_VALUE
list(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = [0, 1, 8, 1, 8, 1]
add.__code__.co_firstlineno = 5
从上面代码的输出结果可以看出字节码一共分成三段，每段表示一行代码的字节码。现在我们来分析一下 co_lnotab 这个字段，这个字段其实也是两个字节为一段的。比如上面的 [0, 1, 8, 1, 8, 1] 就可以分成三段 [0, 1], [8, 1], [8, 1] 。这其中的含义分别为：
- 第一个数字表示距离上一行代码的字节码数目。
- 第二个数字表示距离上一行有效代码的行数。
现在我们来模拟上面代码的字节码的位移和源代码行数之间的关系：
- [0, 1]，说明这行代码离上一行代码的字节位移是 0 ，因此我们可以看到使用 dis 输出的字节码 LOAD_FAST ，前面的数字是 0，距离上一行代码的行数等于 1 ，代码的第一行的行号等于 5，因此 LOAD_FAST 对应的行号等于 5 + 1 = 6 。
- [8, 1]，说明这行代码距离上一行代码的字节位移为 8 个字节，因此第二块的 LOAD_FAST 前面是 8 ，距离上一行代码的行数等于 1，因此这个字节码对应的源代码的行号等于 6 + 1 = 7。
- [8, 1]，同理可以知道这块字节码对应源代码的行号是 8 。
现在有一个问题是当两行代码之间相距的行数超过 一个字节的表示范围怎么办？在 python3.5 以后如果行数差距大于 127，那么就使用 (0, 行数) 对下一个组合进行表示，(0, (x_1)), (0,$ x_2$) … ，直到 (x_1 + … + x_n) = 行数。
在后面的程序当中我们会使用 compile 这个 python 内嵌函数。当你使用Python编写代码时，可以使用compile()函数将Python代码编译成字节代码对象。这个字节码对象可以被传递给Python的解释器或虚拟机，以执行代码。
compile()函数接受三个参数：
-
source: 要编译的Python代码，可以是字符串，字节码或AST对象。 -
filename: 代码来源的文件名（如果有），通常为字符串。 -
mode: 编译代码的模式。可以是 ‘exec’、’eval’ 或 ‘single’ 中的一个。’exec’ 模式用于编译多行代码，’eval’ 用于编译单个表达式，’single’ 用于编译单行代码。
import dis
code = """
x=1
y=2
"""
+ "n" * 500 +
"""
z=x+y
"""
code = compile(code, '', 'exec')
print(list(bytearray(code.co_lnotab)))
print(code.co_firstlineno)
dis.dis(code)
上面的代码输出结果如下所示：
[0, 1, 4, 1, 4, 127, 0, 127, 0, 127, 0, 121]
1
2 0 LOAD_CONST 0 (1)
2 STORE_NAME 0 (x)
3 4 LOAD_CONST 1 (2)
6 STORE_NAME 1 (y)
505 8 LOAD_NAME 0 (x)
10 LOAD_NAME 1 (y)
12 BINARY_ADD
14 STORE_NAME 2 (z)
16 LOAD_CONST 2 (None)
18 RETURN_VALUE
根据我们前面的分析因为第三行和第二行之间的差距大于 127 ，因此后面的多个组合都是用于表示行数的。
505 = 3(前面已经有三行了) + (127 + 127 + 127 + 121)(这个是第二行和第三行之间的差距，这个值为 502，中间有 500 个换行但是因为字符串相加的原因还增加了两个换行，因此一共是 502 个换行)。
具体的算法用代码表示如下所示，下面的参数就是我们传递给 dis 模块的 code，也就是一个 code object 对象。
def findlinestarts(code):
"""Find the offsets in a byte code which are start of lines in the source.
Generate pairs (offset, lineno) as described in Python/compile.c.
"""
byte_increments = code.co_lnotab[0::2]
line_increments = code.co_lnotab[1::2]
bytecode_len = len(code.co_code)
lastlineno = None
lineno = code.co_firstlineno
addr = 0
for byte_incr, line_incr in zip(byte_increments, line_increments):
if byte_incr:
if lineno != lastlineno:
yield (addr, lineno)
lastlineno = lineno
addr += byte_incr
if addr >= bytecode_len:
# The rest of the lnotab byte offsets are past the end of
# the bytecode, so the lines were optimized away.
return
if line_incr >= 0x80:
# line_increments is an array of 8-bit signed integers
line_incr -= 0x100
lineno += line_incr
if lineno != lastlineno:
yield (addr, lineno)
python 字节码表
| 操作 | 操作码 |
|---|---|
| POP_TOP | 1 |
| ROT_TWO | 2 |
| ROT_THREE | 3 |
| DUP_TOP | 4 |
| DUP_TOP_TWO | 5 |
| ROT_FOUR | 6 |
| NOP | 9 |
| UNARY_POSITIVE | 10 |
| UNARY_NEGATIVE | 11 |
| UNARY_NOT | 12 |
| UNARY_INVERT | 15 |
| BINARY_MATRIX_MULTIPLY | 16 |
| INPLACE_MATRIX_MULTIPLY | 17 |
| BINARY_POWER | 19 |
| BINARY_MULTIPLY | 20 |
| BINARY_MODULO | 22 |
| BINARY_ADD | 23 |
| BINARY_SUBTRACT | 24 |
| BINARY_SUBSCR | 25 |
| BINARY_FLOOR_DIVIDE | 26 |
| BINARY_TRUE_DIVIDE | 27 |
| INPLACE_FLOOR_DIVIDE | 28 |
| INPLACE_TRUE_DIVIDE | 29 |
| RERAISE | 48 |
| WITH_EXCEPT_START | 49 |
| GET_AITER | 50 |
| GET_ANEXT | 51 |
| BEFORE_ASYNC_WITH | 52 |
| END_ASYNC_FOR | 54 |
| INPLACE_ADD | 55 |
| INPLACE_SUBTRACT | 56 |
| INPLACE_MULTIPLY | 57 |
| INPLACE_MODULO | 59 |
| STORE_SUBSCR | 60 |
| DELETE_SUBSCR | 61 |
| BINARY_LSHIFT | 62 |
| BINARY_RSHIFT | 63 |
| BINARY_AND | 64 |
| BINARY_XOR | 65 |
| BINARY_OR | 66 |
| INPLACE_POWER | 67 |
| GET_ITER | 68 |
| GET_YIELD_FROM_ITER | 69 |
| PRINT_EXPR | 70 |
| LOAD_BUILD_CLASS | 71 |
| YIELD_FROM | 72 |
| GET_AWAITABLE | 73 |
| LOAD_ASSERTION_ERROR | 74 |
| INPLACE_LSHIFT | 75 |
| INPLACE_RSHIFT | 76 |
| INPLACE_AND | 77 |
| INPLACE_XOR | 78 |
| INPLACE_OR | 79 |
| LIST_TO_TUPLE | 82 |
| RETURN_VALUE | 83 |
| IMPORT_STAR | 84 |
| SETUP_ANNOTATIONS | 85 |
| YIELD_VALUE | 86 |
| POP_BLOCK | 87 |
| POP_EXCEPT | 89 |
| STORE_NAME | 90 |
| DELETE_NAME | 91 |
| UNPACK_SEQUENCE | 92 |
| FOR_ITER | 93 |
| UNPACK_EX | 94 |
| STORE_ATTR | 95 |
| DELETE_ATTR | 96 |
| STORE_GLOBAL | 97 |
| DELETE_GLOBAL | 98 |
| LOAD_CONST | 100 |
| LOAD_NAME | 101 |
| BUILD_TUPLE | 102 |
| BUILD_LIST | 103 |
| BUILD_SET | 104 |
| BUILD_MAP | 105 |
| LOAD_ATTR | 106 |
| COMPARE_OP | 107 |
| IMPORT_NAME | 108 |
| IMPORT_FROM | 109 |
| JUMP_FORWARD | 110 |
| JUMP_IF_FALSE_OR_POP | 111 |
| JUMP_IF_TRUE_OR_POP | 112 |
| JUMP_ABSOLUTE | 113 |
| POP_JUMP_IF_FALSE | 114 |
| POP_JUMP_IF_TRUE | 115 |
| LOAD_GLOBAL | 116 |
| IS_OP | 117 |
| CONTAINS_OP | 118 |
| JUMP_IF_NOT_EXC_MATCH | 121 |
| SETUP_FINALLY | 122 |
| LOAD_FAST | 124 |
| STORE_FAST | 125 |
| DELETE_FAST | 126 |
| RAISE_VARARGS | 130 |
| CALL_FUNCTION | 131 |
| MAKE_FUNCTION | 132 |
| BUILD_SLICE | 133 |
| LOAD_CLOSURE | 135 |
| LOAD_DEREF | 136 |
| STORE_DEREF | 137 |
| DELETE_DEREF | 138 |
| CALL_FUNCTION_KW | 141 |
| CALL_FUNCTION_EX | 142 |
| SETUP_WITH | 143 |
| LIST_APPEND | 145 |
| SET_ADD | 146 |
| MAP_ADD | 147 |
| LOAD_CLASSDEREF | 148 |
| EXTENDED_ARG | 144 |
| SETUP_ASYNC_WITH | 154 |
| FORMAT_VALUE | 155 |
| BUILD_CONST_KEY_MAP | 156 |
| BUILD_STRING | 157 |
| LOAD_METHOD | 160 |
| CALL_METHOD | 161 |
| LIST_EXTEND | 162 |
| SET_UPDATE | 163 |
| DICT_MERGE | 164 |
| DICT_UPDATE | 165 |
总结
在本篇文章当中主要给大家介绍了 cpython 当中对于字节码和源代码和字节码之间的映射关系的具体设计，这对于我们深入去理解 cpython 虚拟机的设计非常有帮助！
本篇文章是深入理解 python 虚拟机系列文章之一，文章地址：https://github.com/Chang-LeHung/dive-into-cpython
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