Python虚拟机字节码之控制流怎么实现

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。

  • Python虚拟机字节码:控制流的实现

    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:

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 。

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 。

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:

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:

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:

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:

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 。

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:

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:

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。



Python虚拟机是为Python语言编写的一款解释器,它将Python代码转化为字节码,再由解释器将其解释执行。Python虚拟机字节码实现了控制流,让程序能够按照指定的逻辑运行。本文将介绍Python虚拟机如何实现控制流。
1. 控制流概述
控制流是编程语言实现逻辑运算的一种方式,它通过一些特定的语句,控制程序的执行流程。Python中的控制流语句包括条件语句(if-else语句、elif语句)、循环语句(for循环、while循环)、跳转语句(break语句、continue语句、return语句等)等等。这些语句的实现,本质上是通过字节码指令来实现的。
2. 字节码指令
Python虚拟机执行Python代码时,会先将其编译成字节码。字节码是一种中间形式表示,类似于汇编语言,但比汇编语言更高层次,解释器可以直接执行它。Python字节码不同于其他一些语言的字节码,如Java字节码,它没有明确的类型和类型检查,指令数量也较少。Python字节码中常见的指令包括 LOAD、STORE、MAKE_FUNCTION、CALL_FUNCTION 等。
3. 控制流实现
Python虚拟机将控制流语句翻译成一系列字节码指令,来实现控制程序的流程。例如,一个简单的if-else语句:
if a > b:
print(\"a is greater than b\")
else:
print(\"a is less than or equal to b\")
将被翻译成以下字节码:
1 0 LOAD_NAME 0 (a)
2 LOAD_NAME 1 (b)
4 COMPARE_OP 4 (>)
6 POP_JUMP_IF_FALSE 12
2 8 LOAD_CONST 0 ('a is greater than b')
10 PRINT_ITEM
12 JUMP_FORWARD 26 (to 40)
4 14 LOAD_CONST 1 ('a is less than or equal to b')
16 PRINT_ITEM
18 JUMP_FORWARD 10 (to 30)
6 >> 20 LOAD_GLOBAL 2 (SystemExit)
22 CALL_FUNCTION 1
24 POP_TOP
这些指令包括 LOAD_NAME、COMPARE_OP、POP_JUMP_IF_FALSE、LOAD_CONST、PRINT_ITEM 和 JUMP_FORWARD。这些指令实现了流程控制,比如比较、条件跳转、打印等等。
结语
Python虚拟机是Python编程语言的关键组件之一,它实现了对Python代码的解析和执行。通过字节码指令的方式,Python虚拟机实现了Python语言的控制流,让导向程序流程的各种语句得以实现。本文介绍了Python虚拟机字节码如何实现控制流,希望读者能对Python虚拟机有更深入的理解。