字节码：分析 Python 执行的终极利器

一、什么是代码对象

二、探索代码对象

Python 程序由代码块组成，代码块可以是模块、函数或类，也可以是脚本文件，还可以是python - c 'string'和exec ('string')、eval ('string')中字符串的内容。

两种方法：

• fun.__code__ 获取函数 fun 主体的代码对象

• compile('source code','','exec')获取代码块 source code 的代码对象

三、一个函数及其代码对象

def fun(a,b):
    return a+b 

for attr in dir(fun.fun.__code__):
    if attr.startswith('co_'):
        print("{attr}:\t{attrs}".format(
            attrs=getattr(attr=attr,fun.fun.__code__, attr)))

co_argcount: 2
co_cellvars: ()
co_code: b'|\x00|\x01\x17\x00S\x00'
co_consts: (None,)
co_filename: G:\pythonCodeStudy\manuscript\0 bytecode\fun.py
co_firstlineno: 1
co_flags: 67
co_freevars: ()
co_kwonlyargcount: 0
co_lnotab: b'\x00\x01'
co_name: fun
co_names: ()
co_nlocals: 2
co_posonlyargcount: 0
co_stacksize: 2
co_varnames: ('a', 'b')

• co_argcount 函数形式参数个数，这个只有函数类型代码块的代码对象有，其它类型代码块没有该属性。
• co_code 字节码指令序列，字节码都由操作码 opcode 和参数 opatg 组成的序列。
• co_const 常量列表，列表内容包括如下：
• None 函数返回值，系统自带。
• 从前往后数所有字面常量：数字和字符串。
• 内嵌函数代码对象 code object。
• 内嵌函数的 qual_name 常量，如：outer..inner。
• co_name 本函数的名字。
• co_varnames 本函数 局部变量 ，不含被引用自由变量，包含形式参数和内嵌函数名。
• co_names 本函数用到的非局部变量，也就是 全局变量、系统内置变量。
• co_nlocals 本函数的局部变量个数。
• co_cellvars cell 变量。
• co_freevars 自由变量。
• co_flag 代码对象的种类，比如协程、生成器等，其意义定义在 include/code.h 中。
• co_lnotab 计算字节码偏移量代表的源代码行号的字节序列。两个字节序列为一个单位，指示两条源代码指令编译成的字节码之间偏移多少。
• co_stacksize 执行字节码指令时，计算栈上最大的项目数，和函数参数个数有关。

Python虚拟机是基于栈的机器，每步函数调用产生栈帧（stack frame）。每个栈帧包含计算栈和块栈。所有参数压入计算栈，调用时弹栈，计算后弹出结果，结束本栈帧。

3.1 co_cellvars 和 co_freevars

def outer(o1, o2='o2'):
    e = 'enclose'

    def inner(i1, i2='i2'):
        print(e)
        return e
    return inner
print(outer.__code__.co_cellvars)
print(outer('i1').__code__.co_freevars)

('e',)
('e',)

• co_cellvars 是被内部嵌套块（函数）引用的变量组成的元组。外部函数创建特殊的 cell 对象存储该变量，cell 对象的生存周期超过了定义它的外部函数。这句话理解就是：外部变量执行完之后，清理现场，它的变量都消失了，但 cell 对象不消失，仍然存在。这也就是所谓 * cell 变量*

• co_freevars 就块内使用，但是并未在该块内定义的变量（不含全局变量、内置变量）。也就是当前块（函数） 引用的外部 cell 变量 组成的元组，和上个 co_cellvars 是相对的概念

• 外部变量 outer 作用域里，创建了变量 e 以及变量 inner （函数）。

• 因为嵌套函数 inner 使用了外部变量 e ，所以在 outer 函数里， e 是作为 cell 变量，绑定到特殊的 cell 对象里。

• 这个特殊的 cell 对象和 inner 绑定在了一起，这样 outer 作用域消失的时候， inner 内部借由 cell 对象访问到了 e 这个变量，它对 inner 函数来说是（来自 cell 对象的）自由变量。

四、字节码细节

  2           0 LOAD_FAST                0 (a)
              2 LOAD_FAST                1 (b)
              4 BINARY_ADD
              6 RETURN_VALUE

• 第一列 2 表示源代码的第二行，也就是return a+b这一条。
• 第二列的 0 表示该条操作码相对字节码开头的偏移量，LOAD_FAST 表示操作码，0 表示参数，(a)是由 dis 生成的，即局部变量元组第 0 个元素 a。本条将变量 a 压入计算栈。
• 以此类推第二条，将局部变量 b 压入计算栈。
• 第三条 BINARY_ADD 没有参数，它是求和，将 a 和 b 弹出，求和，结果压入计算栈栈顶。
• 第四条 RETURN_VALUE 弹出结果，结束本栈帧。

五、其它代码块代码对象

  1           0 LOAD_CONST               0 (<code object fun at 0x00A67B18, file
 "", line 1>)
              2 LOAD_CONST               1 ('fun')
              4 MAKE_FUNCTION            0
              6 STORE_NAME               0 (fun)
              8 LOAD_CONST               2 (None)
             10 RETURN_VALUE

六、总结

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