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 disdef add(a, b): return a + bif __name__ == '__main__': print(add.__code__.co_code) print("bytecode: ", list(bytearray(add.__code__.co_code))) dis.dis(add)
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上面的代码在 python3.9 的输出如下所示：
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b'||S'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
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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]
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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
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 disdef 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 ansif __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)登录后复制
上面的代码输出结果如下所示：
b'��dA' 0 EXTENDED_ARG 1 2 EXTENDED_ARG 258 4 LOAD_CONST 66113 (66113)登录后复制
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 disdef add(a, b): a += 1 b += 2 return a + bif __name__ == '__main__': dis.dis(add.__code__) print(f"{list(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = }") print(f"{add.__code__.co_firstlineno = }")登录后复制
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_VALUElist(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = [0, 1, 8, 1, 8, 1]add.__code__.co_firstlineno = 5登录后复制
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 discode = """x=1y=2""" + "" * 500 + """z=x+y"""code = compile(code, '', 'exec')print(list(bytearray(code.co_lnotab)))print(code.co_firstlineno)dis.dis(code)登录后复制
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登录后复制
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)登录后复制
操作 操作码POP_TOP1ROT_TWO2ROT_THREE3DUP_TOP4DUP_TOP_TWO5ROT_FOUR6NOP9UNARY_POSITIVE10UNARY_NEGATIVE11UNARY_NOT12UNARY_INVERT15BINARY_MATRIX_MULTIPLY16INPLACE_MATRIX_MULTIPLY17BINARY_POWER19BINARY_MULTIPLY20BINARY_MODULO22BINARY_ADD23BINARY_SUBTRACT24BINARY_SUBSCR25BINARY_FLOOR_DIVIDE26BINARY_TRUE_DIVIDE27INPLACE_FLOOR_DIVIDE28INPLACE_TRUE_DIVIDE29RERAISE48WITH_EXCEPT_START49GET_AITER50GET_ANEXT51BEFORE_ASYNC_WITH52END_ASYNC_FOR54INPLACE_ADD55INPLACE_SUBTRACT56INPLACE_MULTIPLY57INPLACE_MODULO59STORE_SUBSCR60DELETE_SUBSCR61BINARY_LSHIFT62BINARY_RSHIFT63BINARY_AND64BINARY_XOR65BINARY_OR66INPLACE_POWER67GET_ITER68GET_YIELD_FROM_ITER69PRINT_EXPR70LOAD_BUILD_CLASS71YIELD_FROM72GET_AWAITABLE73LOAD_ASSERTION_ERROR74INPLACE_LSHIFT75INPLACE_RSHIFT76INPLACE_AND77INPLACE_XOR78INPLACE_OR79LIST_TO_TUPLE82RETURN_VALUE83IMPORT_STAR84SETUP_ANNOTATIONS85YIELD_VALUE86POP_BLOCK87POP_EXCEPT89STORE_NAME90DELETE_NAME91UNPACK_SEQUENCE92FOR_ITER93UNPACK_EX94STORE_ATTR95DELETE_ATTR96STORE_GLOBAL97DELETE_GLOBAL98LOAD_CONST100LOAD_NAME101BUILD_TUPLE102BUILD_LIST103BUILD_SET104BUILD_MAP105LOAD_ATTR106COMPARE_OP107IMPORT_NAME108IMPORT_FROM109JUMP_FORWARD110JUMP_IF_FALSE_OR_POP111JUMP_IF_TRUE_OR_POP112JUMP_ABSOLUTE113POP_JUMP_IF_FALSE114POP_JUMP_IF_TRUE115LOAD_GLOBAL116IS_OP117CONTAINS_OP118JUMP_IF_NOT_EXC_MATCH121SETUP_FINALLY122LOAD_FAST124STORE_FAST125DELETE_FAST126RAISE_VARARGS130CALL_FUNCTION131MAKE_FUNCTION132BUILD_SLICE133LOAD_CLOSURE135LOAD_DEREF136STORE_DEREF137DELETE_DEREF138CALL_FUNCTION_KW141CALL_FUNCTION_EX142SETUP_WITH143LIST_APPEND145SET_ADD146MAP_ADD147LOAD_CLASSDEREF148EXTENDED_ARG144SETUP_ASYNC_WITH154FORMAT_VALUE155BUILD_CONST_KEY_MAP156BUILD_STRING157LOAD_METHOD160CALL_METHOD161LIST_EXTEND162SET_UPDATE163DICT_MERGE164DICT_UPDATE165
以上就是python虚拟机怎么使用的详细内容，更多请关注【创想鸟】其它相关文章！
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