PyCodeObject 拾遺
內(nèi)置函數(shù) compile
之前通過函數(shù)的 __code__ 屬性獲取了該函數(shù)的 PyCodeObject 對象，但是還有沒有其它的方法呢？顯然是有的，答案是通過內(nèi)置函數(shù) compile，不過在介紹 compile 之前，先介紹一下 eval 和 exec。
eval：傳入一個字符串，然后把字符串里面的內(nèi)容當做表達式
a = 1
# 所以 eval("a") 就等價于 a
print(eval("a")) # 1
print(eval("1 + 1 + 1")) # 3注意：eval 是有返回值的，返回值就是字符串里面的內(nèi)容。所以 eval 接收的字符串里面一定是一個表達式，表達式計算之后是一個具體的值，比如 a = eval("1 + 2")，等價于 a = 3。
但如果是語句的話，比如 a = eval("b = 3")，這樣等價于 a = (b = 3)，顯然這會出現(xiàn)語法錯誤。因此 eval 函數(shù)把字符串兩邊的引號剝掉之后，得到的一定是一個普通的值。
try:
print(eval("xxx"))
except NameError as e:
print(e) # name 'xxx' is not defined此時等價于 print(xxx)，但是 xxx 沒有定義，所以報錯。
# 此時是合法的，等價于 print('xxx')
print(eval("'xxx'")) # xxx以上就是 eval 函數(shù)，使用起來還是很方便的。
exec：傳入一個字符串，把字符串里面的內(nèi)容當成語句來執(zhí)行，這個是沒有返回值的，或者說返回值是 None。
# 相當于 a = 1
exec("a = 1")
print(a) # 1
statement = """
a = 123
if a == 123:
print("a 等于 123")
else:
print("a 不等于 123")
"""
exec(statement) # a 等于 123注意：a 等于 123 并不是 exec 返回的，而是把上面那坨字符串當成普通代碼執(zhí)行的時候 print 出來的。這便是 exec 的作用，將字符串當成語句來執(zhí)行。
所以使用 exec 可以非常方便地創(chuàng)建多個變量。
import random
for i in range(1, 5):
exec(f"a{i} = {random.randint(1, 100)}")
print(a1) # 72
print(a2) # 21
print(a3) # 38
print(a4) # 32那么 exec 和 eval 的區(qū)別就顯而易見了，eval 是要求字符串里面的內(nèi)容能夠當成一個值，并且該值就是 eval 函數(shù)的返回值。而 exec 則是直接執(zhí)行里面的內(nèi)容，返回值是 None。
print(eval("1 + 1")) # 2
print(exec("1 + 1")) # None
# 相當于 a = 2
exec("a = 1 + 1")
print(a) # 2
try:
# 相當于 a = 2，但很明顯 a = 2 是一個語句
# 它無法作為一個值，因此放到 eval 里面就報錯了
eval("a = 1 + 1")
except SyntaxError as e:
print(e) # invalid syntax (<string>, line 1)還是很好區(qū)分的，但是 eval 和 exec 在生產(chǎn)中盡量要少用。另外，eval 和 exec 還可以接收第二個參數(shù)和第三個參數(shù)，我們在介紹名字空間的時候再說。
compile：關鍵來了，它執(zhí)行后返回的就是一個 PyCodeObject 對象。
這個函數(shù)接收哪些參數(shù)呢？
- 參數(shù)一：當成代碼執(zhí)行的字符串
- 參數(shù)二：可以為這些代碼起一個文件名
- 參數(shù)三：執(zhí)行方式，支持三種，分別是 exec、single、eval
我們演示一下。
# exec：將源代碼當做一個模塊來編譯
# single：用于編譯一個單獨的 Python 語句（交互式）
# eval：用于編譯一個 eval 表達式
statement = "a, b = 1, 2"
# 這里我們選擇 exec，當成一個模塊來編譯
co = compile(statement, "古明地覺的編程教室", "exec")
print(co.co_firstlineno) # 1
print(co.co_filename) # 古明地覺的編程教室
print(co.co_argcount) # 0
# 我們是以 a, b = 1, 2 這種方式賦值
# 所以 (1, 2) 會被當成一個元組加載進來
# 從這里我們看到，元組是在編譯階段就已經(jīng)確定好了
print(co.co_consts) # ((1, 2), None)
statement = """
a = 1
b = 2
"""
co = compile(statement, "<file>", "exec")
print(co.co_consts) # (1, 2, None)
print(co.co_names) # ('a', 'b')我們后面在分析 PyCodeObject 的時候，會經(jīng)常使用 compile 函數(shù)。
然后 compile 還可以接收一個 flags 參數(shù)，也就是第四個參數(shù)，它的默認值為 0，表示按照標準模式進行編譯，就是之前說的那幾步。
- 對文本形式的源代碼進行分詞，將其切分成一個個的 Token；
- 對 Token 進行語法解析，生成抽象語法樹（AST）；
- 將 AST 編譯成 PyCodeObject 對象，簡稱 code 對象或者代碼對象；
但如果將 flags 指定為 1024，那么 compile 函數(shù)在生成 AST 之后會直接停止，然后返回一個 ast.Module 對象。
print(
compile("a = 1", "<file>", "exec").__class__
) # <class 'code'>
print(
compile("a = 1", "<file>", "exec", flags=1024).__class__
) # <class 'ast.Module'>ast 模塊是和 Python 的抽象語法樹相關的，那么問題來了，這個 ast.Module 對象能夠干什么呢？別著急，我們后續(xù)在介紹棧幀的時候說。不過由于抽象語法樹比較底層，因此知道 compile 的前三個參數(shù)的用法即可。
字節(jié)碼與反編譯
關于 Python 的字節(jié)碼，是后面剖析虛擬機的重點，現(xiàn)在先來看一下。我們知道執(zhí)行源代碼之前會先編譯得到 PyCodeObject 對象，里面的 co_code 字段指向了字節(jié)碼序列，或者說字節(jié)碼指令集。
虛擬機會根據(jù)這些指令集來進行一系列的操作（當然也依賴其它的靜態(tài)信息），從而完成對程序的執(zhí)行。關于指令，解釋器定義了 200 多種，我們大致看一下。
// Include/opcode.h
#define CACHE 0
#define POP_TOP 1
#define PUSH_NULL 2
#define INTERPRETER_EXIT 3
#define END_FOR 4
#define END_SEND 5
#define NOP 9
#define UNARY_NEGATIVE 11
#define UNARY_NOT 12
#define UNARY_INVERT 15
#define RESERVED 17
#define BINARY_SUBSCR 25
#define BINARY_SLICE 26
#define STORE_SLICE 27
#define GET_LEN 30
#define MATCH_MAPPING 31
#define MATCH_SEQUENCE 32
#define MATCH_KEYS 33
#define PUSH_EXC_INFO 35
#define CHECK_EXC_MATCH 36
#define CHECK_EG_MATCH 37
#define WITH_EXCEPT_START 49
#define GET_AITER 50
#define GET_ANEXT 51
#define BEFORE_ASYNC_WITH 52
#define BEFORE_WITH 53
#define END_ASYNC_FOR 54
#define CLEANUP_THROW 55
#define STORE_SUBSCR 60
#define DELETE_SUBSCR 61
#define GET_ITER 68
#define GET_YIELD_FROM_ITER 69
#define LOAD_BUILD_CLASS 71
#define LOAD_ASSERTION_ERROR 74
#define RETURN_GENERATOR 75
#define RETURN_VALUE 83
// ...
// ...所謂字節(jié)碼指令其實就是個整數(shù)，多個指令組合在一起便是字節(jié)碼指令集（字節(jié)碼序列），它是一個 bytes 對象。當然啦，指令集里面不全是指令，索引（偏移量）為偶數(shù)的字節(jié)表示指令，索引為奇數(shù)的字節(jié)表示指令參數(shù)，后續(xù)會細說。
然后我們可以通過反編譯的方式查看每行 Python 代碼都對應哪些操作指令。
# Python 的 dis 模塊專門負責干這件事情
import dis
def foo(a, b):
c = a + b
return c
# 里面接收 PyCodeObject 對象
# 當然函數(shù)也是可以的，會自動獲取 co_code
dis.dis(foo)
"""
1 0 RESUME 0
2 2 LOAD_FAST 0 (a)
4 LOAD_FAST 1 (b)
6 BINARY_OP 0 (+)
10 STORE_FAST 2 (c)
3 12 LOAD_FAST 2 (c)
14 RETURN_VALUE
"""字節(jié)碼反編譯后的結(jié)果多么像匯編語言，其中第一列是源代碼行號，第二列是字節(jié)碼偏移量，第三列是字節(jié)碼指令（也叫操作碼），第四列是指令參數(shù)（也叫操作數(shù)）。Python 的字節(jié)碼指令都是成對出現(xiàn)的，每個指令會帶有一個指令參數(shù)。
查看字節(jié)碼也可以使用 opcode 模塊：
from opcode import opmap
opmap = {v: k for k, v in opmap.items()}
def foo(a, b):
c = a + b
return c
code = foo.__code__.co_code
for i in range(0, len(code), 2):
print("操作碼: {:<12} 操作數(shù): {}".format(
opmap[code[i]], code[i+1]
))
"""
操作碼: RESUME 操作數(shù): 0
操作碼: LOAD_FAST 操作數(shù): 0
操作碼: LOAD_FAST 操作數(shù): 1
操作碼: BINARY_OP 操作數(shù): 0
操作碼: CACHE 操作數(shù): 0
操作碼: STORE_FAST 操作數(shù): 2
操作碼: LOAD_FAST 操作數(shù): 2
操作碼: RETURN_VALUE 操作數(shù): 0
"""總之字節(jié)碼就是一段字節(jié)序列，轉(zhuǎn)成列表之后就是一堆數(shù)字。偶數(shù)位置表示指令本身，而每個指令后面都會跟一個指令參數(shù)，也就是奇數(shù)位置表示指令參數(shù)。
所以指令本質(zhì)上只是一個整數(shù)：
圖片
虛擬機會根據(jù)不同的指令執(zhí)行不同的邏輯，說白了 Python 虛擬機執(zhí)行字節(jié)碼的邏輯就是把自己想象成一顆 CPU，并內(nèi)置了一個巨型的 switch case 語句，其中每個指令都對應一個 case 分支。
然后遍歷整條字節(jié)碼，拿到每一個指令和指令參數(shù)。接著對指令進行判斷，不同的指令進入不同的 case 分支，執(zhí)行不同的處理邏輯，直到字節(jié)碼全部執(zhí)行完畢或者程序出錯。
關于執(zhí)行字節(jié)碼的具體流程，等介紹棧幀的時候細說。
