Python虛擬機(jī)字節(jié)碼教程之裝飾器實現(xiàn)詳解

更新時間：2023年04月11日 08:56:40 作者：一無是處的研究僧

在本篇文章當(dāng)中主要給大家介紹在?cpython?當(dāng)中一些比較常見的字節(jié)碼，從根本上理解?python?程序的執(zhí)行。在本文當(dāng)中主要介紹一些?python?基本操作的字節(jié)碼，并且將從字節(jié)碼的角度分析函數(shù)裝飾器的原理

Python 常見字節(jié)碼

LOAD_CONST

這個指令用于將一個常量加載到棧中。常量可以是數(shù)字、字符串、元組、列表、字典等對象。例如：

>>> dis.dis(lambda: 42)
  1           0 LOAD_CONST               1 (42)
              2 RETURN_VALUE

LOAD_NAME

這個指令用于將一個變量加載到棧中。例如：

>>> dis.dis(lambda: x)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 RETURN_VALUE
>>>

STORE_NAME

這個指令用于將棧頂?shù)闹荡鎯Φ揭粋€變量中。例如：

>>> dis.dis("x=42")
  1           0 LOAD_CONST               0 (42)
              2 STORE_NAME               0 (x)
              4 LOAD_CONST               1 (None)
              6 RETURN_VALUE

BINARY_ADD

這個指令用于對棧頂?shù)膬蓚€值進(jìn)行加法運算并將結(jié)果推送到棧中。

>>> dis.dis(lambda: x + y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_ADD
              6 RETURN_VALUE

BINARY_SUBTRACT

這個指令用于對棧頂?shù)膬蓚€值進(jìn)行減法運算并將結(jié)果推送到棧中。

>>> dis.dis(lambda: x - y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_SUBTRACT
              6 RETURN_VALUE

同樣的加減乘除取余數(shù)的字節(jié)碼如下所示：

>>> dis.dis(lambda: x + y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_ADD
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x - y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_SUBTRACT
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x * y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_MULTIPLY
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x / y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_TRUE_DIVIDE
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x // y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_FLOOR_DIVIDE
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x % y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_MODULO
              6 RETURN_VALUE

COMPARE_OP

這個指令用于比較棧頂?shù)膬蓚€值，并且將比較得到的結(jié)果壓入棧中，這個字節(jié)碼后面后一個字節(jié)的參數(shù)，表示小于大于不等于等等比較符號。例如：

>>> dis.dis(lambda: x - y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 BINARY_SUBTRACT
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x > y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               4 (>)
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x < y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               0 (<)
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x != y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               3 (!=)
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x <= y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               1 (<=)
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x >= y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               5 (>=)
              6 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(lambda: x == y)
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (x)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (y)
              4 COMPARE_OP               2 (==)
              6 RETURN_VALUE

RETURN_VALUE

將棧頂元素彈出作為返回值。

BUILD_LIST

這個指令用于創(chuàng)建一個列表。例如：

>>> dis.dis(lambda: [a, b, c, e])
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (a)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (b)
              4 LOAD_GLOBAL              2 (c)
              6 LOAD_GLOBAL              3 (e)
              8 BUILD_LIST               4
             10 RETURN_VALUE

這條字節(jié)碼指令有一個參數(shù)表示?？臻g當(dāng)中列表元素的個數(shù)，在上面的例子當(dāng)中這個參數(shù)是 4 。

BUILD_TUPLE

這個指令用于創(chuàng)建一個元組。例如：

>>> dis.dis(lambda: (a, b, c))
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (a)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (b)
              4 LOAD_GLOBAL              2 (c)
              6 BUILD_TUPLE              3
              8 RETURN_VALUE

同樣的這個字節(jié)碼也有一個參數(shù)，表示創(chuàng)建元組的元素個數(shù)。

BUILD_MAP

這個指令用于創(chuàng)建一個字典。例如：

BUILD_SET

和 list 和 tuple 一樣，這條指令是用于創(chuàng)建一個集合對象，同樣的這條指令也有一個參數(shù)表示用于創(chuàng)建集合的元素的個數(shù)。

>>> dis.dis(lambda: {a, b, c, d})
  1           0 LOAD_GLOBAL              0 (a)
              2 LOAD_GLOBAL              1 (b)
              4 LOAD_GLOBAL              2 (c)
              6 LOAD_GLOBAL              3 (d)
              8 BUILD_SET                4
             10 RETURN_VALUE

BUILD_CONST_KEY_MAP

這條指令是用于創(chuàng)建一個字典對象，同樣的這條指令也有一個參數(shù)，表示字典當(dāng)中元素的個數(shù)。

>>> dis.dis(lambda: {1:2, 3:4})
  1           0 LOAD_CONST               1 (2)
              2 LOAD_CONST               2 (4)
              4 LOAD_CONST               3 ((1, 3))
              6 BUILD_CONST_KEY_MAP      2
              8 RETURN_VALUE

從字節(jié)碼角度分析裝飾器的原理

如果你是一個 pythoner 那么你肯定或多或少聽說過裝飾器，這是一個 python 的語法糖我們可以用它來做很多有趣的事情，比如在不修改源代碼的基礎(chǔ)之上給函數(shù)附加一些功能，比如說計算時間。

import time
 
def eval_time(func):
    
    def cal_time(*args, **kwargs):
        start = time.time()
        r = func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        return r, end - start
    return cal_time
 
 
@eval_time
def fib(n):
    a = 0
    b = 1
    while n > 0:
        n -= 1
        a, b = b, a + b
    return a

在上面的代碼當(dāng)中我們實現(xiàn)了一個計算斐波拉契數(shù)列的函數(shù)，除此之外還寫了一個 eval_time 函數(shù)用于計算函數(shù)執(zhí)行的時間，現(xiàn)在調(diào)用函數(shù) fib(10)，程序的輸出如下所示：

>>>fib(10)
(55, 5.9604644775390625e-06)

可以看到實現(xiàn)了我們想要的效果。

現(xiàn)在我們使用一個更加簡單的例子來模擬上面的代碼結(jié)構(gòu)，方便我們對上面函數(shù)執(zhí)行的過程進(jìn)行分析：

s = """
def decorator(func):
    print("Hello")
    return func
 
@decorator
def fib(n):
    pass
"""
dis.dis(s)

上面的 dis 函數(shù)的輸出對應(yīng)代碼的字節(jié)碼如下所示：

2 0 LOAD_CONST 0 (<code object decorator at 0x108068d40, file "<dis>", line 2>)
2 LOAD_CONST 1 ('decorator')
4 MAKE_FUNCTION 0
6 STORE_NAME 0 (decorator)

6 8 LOAD_NAME 0 (decorator)

7 10 LOAD_CONST 2 (<code object fib at 0x1075c1710, file "<dis>", line 6>)
12 LOAD_CONST 3 ('fib')
14 MAKE_FUNCTION 0
16 CALL_FUNCTION 1
18 STORE_NAME 1 (fib)
20 LOAD_CONST 4 (None)
22 RETURN_VALUE

Disassembly of <code object decorator at 0x108068d40, file "<dis>", line 2>:
3 0 LOAD_GLOBAL 0 (print)
2 LOAD_CONST 1 ('Hello')
4 CALL_FUNCTION 1
6 POP_TOP

4 8 LOAD_FAST 0 (func)
10 RETURN_VALUE

Disassembly of <code object fib at 0x1075c1710, file "<dis>", line 6>:
8 0 LOAD_CONST 0 (None)
2 RETURN_VALUE

執(zhí)行第一條指令 LOAD_CONST，這條指令主要是加載一個 code object 對象，這個對象里面主要是包含函數(shù) decorator 的字節(jié)碼，主要是上面字節(jié)碼的第二塊內(nèi)容。在執(zhí)行完這條字節(jié)碼之后?？臻g如下所示：

執(zhí)行完第二條指令 LOAD_CONST 之后，會將字符串 decorator 加載進(jìn)入?？臻g當(dāng)中。

執(zhí)行第三條指令 MAKE_FUNCTION，這條字節(jié)碼的作用是在虛擬機(jī)內(nèi)部創(chuàng)建一個函數(shù)，函數(shù)的名稱為 decorator，函數(shù)對應(yīng)的字節(jié)碼則是在先前壓入棧空間當(dāng)中的 code object 對象，這條指令還會將創(chuàng)建好的函數(shù)對象壓入棧中。

STORE_NAME，條字節(jié)碼會將棧頂?shù)脑貜棾?，并且?co_names[oparg] 指向這個對象，在上面的字節(jié)碼當(dāng)中 co_names[oparg] 就是 decorator 。

LOAD_NAME，這條字節(jié)碼就是將 co_names[oparg] 對應(yīng)的名字指向的對象重新加載進(jìn)入?？臻g當(dāng)中，也就是上面的 decorator 函數(shù)加入進(jìn)行?？臻g當(dāng)中。

接下來的三條字節(jié)碼 LOAD_CONST，LOAD_CONST 和 MAKE_FUNCTION，在執(zhí)行這三條字節(jié)碼之后，?？臻g如下所示：

接下來的一條指令非常重要，這條指令便是裝飾器的核心原理，CALL_FUNCTION 這條指令有一個參數(shù) i，在上面的字節(jié)碼當(dāng)中為 1，也就是說從棧頂開始的前 i 個元素都是函數(shù)參數(shù)，調(diào)用的函數(shù)在?？臻g的位置為 i + 1 （從棧頂往下數(shù)），那么在上面的情況下就是說調(diào)用 decorator 函數(shù)，并且將 fib 函數(shù)作為 decorator 函數(shù)的參數(shù)，decorator 函數(shù)的返回值再壓入棧頂。在上面的代碼當(dāng)中 decorator 函數(shù)返回值也是一個函數(shù)，也就是 decorator 函數(shù)的參數(shù)，即 fib 函數(shù)。

接下來便是 STORE_NAME 字節(jié)碼，這條字節(jié)碼的含義我們在前面已經(jīng)說過了，就是將棧頂元素彈出，保存到 co_names[oparg] 指向的對象當(dāng)中，在上面的代碼當(dāng)中也就是將棧頂?shù)膶ο蟊４娴?fib 當(dāng)中。棧頂元素 fib 函數(shù)是調(diào)用函數(shù) decorator 的返回值。

看到這里就能夠理解了原來裝飾器的最根本的原理不就是函數(shù)調(diào)用嘛，比如我們最前面的用于計算函數(shù)執(zhí)行時間的裝飾器的原理就是：

fib = eval_time(fib)

將 fib 函數(shù)作為 eval_time 函數(shù)的參數(shù)，再將這個函數(shù)的返回值保存到 fib 當(dāng)中，當(dāng)然這個對象必須是可調(diào)用的，不然后面使用 fib() 就會保存，我們可以使用下面的代碼來驗證這個效果。

def decorator(func):
    return func()
 
 
@decorator
def demo():
    return "function demo return string : Demo"
 
print(demo)

執(zhí)行上面的程序結(jié)果為：

function demo return string : Demo

可以看到 demo 已經(jīng)變成了一個字符串對象而不再是一個函數(shù)了，因為 demo = decorator(demo)，而在函數(shù) decorator 當(dāng)中返回值是 demo 函數(shù)自己的返回值，因此才打印了字符串。

總結(jié)

在本篇文章當(dāng)中主要給大家介紹了 python 當(dāng)中一些基礎(chǔ)的字節(jié)碼對應(yīng)的含義以及示例代碼，本篇文章最重要的便是從字節(jié)碼的角度解釋了裝飾器的本質(zhì)原理，這對我們以后使用裝飾器非常有幫助，可以靈活的控制和了解裝飾器其中發(fā)生的故事。

以上就是Python虛擬機(jī)字節(jié)碼教程之裝飾器實現(xiàn)詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python字節(jié)碼裝飾器的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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