在Python中，變量的使用看起來非常簡單，例如 a = 10，s = "hello"等等。

然而，這種簡單的賦值操作背后，CPython其實做了很多復雜的工作。

本文將通過一些簡單易懂的代碼示例，一起探索Python變量背后的奧秘，讓我們對它的實現(xiàn)機制有更深一步的理解。

1. 變量到底是什么？

在Python中，變量本質(zhì)上是一個名字到值的映射。

例如，當你寫a = 1時，a是一個名字，而1是一個值。

CPython會將這個名字和值關(guān)聯(lián)起來，以便你后續(xù)可以通過名字訪問這個值。

a = 1
print(a)  # 輸出：1

這種映射關(guān)系是通過一個名為命名空間的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。

命名空間是一個字典，其中的鍵是變量名，值是變量對應的對象。

它的定義可參考CPython源碼中的Include/internal/pycore_frame.h文件。

typedef struct _PyInterpreterFrame {
    // 省略... ...
    PyObject *f_globals; /* Borrowed reference. Only valid if not on C stack */
    PyObject *f_builtins; /* Borrowed reference. Only valid if not on C stack */
    PyObject *f_locals; /* Strong reference, may be NULL. Only valid if not on C stack */
    // 省略... ...
}

其中，f_locals 保存局部變量映射，函數(shù)執(zhí)行時，局部變量值存于此；

f_globals 用于全局變量，模塊級代碼塊執(zhí)行時，f_globals 指向模塊全局命名空間字典；

f_builtins 關(guān)聯(lián)內(nèi)置命名空間。

2. 變量的底層實現(xiàn)：字節(jié)碼

CPython在執(zhí)行代碼時，會先將代碼編譯成字節(jié)碼，然后由虛擬機執(zhí)行這些字節(jié)碼。我們可以通過 dis 模塊查看代碼的字節(jié)碼。

例如，對于a = 1，字節(jié)碼如下：

import dis

code = """
a = b
"""
dis.dis(code)

• LOAD_NAME：從命名空間中加載變量b的值
• STORE_NAME：將值存儲到變量a中

這兩個指令展示了CPython如何處理變量的讀取和賦值。

3. 命名空間與作用域

Python中的變量存儲在不同的命名空間中，而這些命名空間又與代碼的作用域相關(guān)，作用域決定了變量的可見性。

Python有三種主要的作用域：

• 局部作用域：函數(shù)內(nèi)部的變量
• 全局作用域：模塊級別的變量
• 內(nèi)置作用域：包含內(nèi)置函數(shù)和類型的命名空間

x = "global"  # 全局變量

def func():
    y = "local"  # 局部變量
    print(x)  # 輸出：global
    print(y)  # 輸出：local

func()

在這個例子中，x是全局變量，y是局部變量。

如果在函數(shù)中嘗試訪問一個未定義的變量，CPython會按照以下順序查找：

• 局部命名空間（f_locals）
• 全局命名空間（f_globals）
• 內(nèi)置命名空間（f_builtins）

如果仍然找不到，就會拋出NameError異常。

4. 不同變量的字節(jié)碼

CPython為不同作用域的變量提供了不同的字節(jié)碼指令，以優(yōu)化性能和實現(xiàn)特定的行為。

4.1. 局部變量

在函數(shù)中，局部變量使用LOAD_FAST和STORE_FAST指令。

這些指令直接操作一個數(shù)組，而不是字典，因此速度更快。

def func():
    a = 1  # STORE_FAST
    b = a  # LOAD_FAST
    return b

dis.dis(func)

4.2. 全局變量

全局變量使用LOAD_GLOBAL和STORE_GLOBAL指令。

這些指令會直接操作全局命名空間。

x = 1

def func():
    global x
    x = 2  # STORE_GLOBAL
    return x  # LOAD_GLOBAL

dis.dis(func)

4.3. 閉包變量

當函數(shù)嵌套時，內(nèi)部函數(shù)可以訪問外部函數(shù)的變量。

這些變量稱為閉包變量，使用LOAD_DEREF和STORE_DEREF指令。

def outer():
    x = 1
    def inner():
        return x  # LOAD_DEREF
    return inner

dis.dis(outer)

5. 類中的變量

在類定義中，變量的行為與函數(shù)不同。

類定義中的變量使用LOAD_NAME和STORE_NAME指令，因為類的命名空間會動態(tài)地與全局命名空間交互。

x = "global"

class MyClass:
    print(x)  # 使用 LOAD_NAME
    x = "local"
    print(x)  # 使用 LOAD_NAME

MyClass()

輸出：

查看指令的話，可以使用：python.exe -m dis .\cpython-variable.py命令。

如果在類中使用嵌套函數(shù)，CPython會使用LOAD_CLASSDEREF指令來處理閉包變量。

class MyClass:
    x = "cell"
    def method(self):
        print(x)  # 使用 LOAD_CLASSDEREF

MyClass().method()

6. 編譯器如何選擇指令

CPython的編譯器會根據(jù)變量的作用域和代碼塊類型選擇合適的字節(jié)碼指令。

例如：

• 如果變量是局部變量，編譯器會生成LOAD_FAST和STORE_FAST
• 如果變量是全局變量，編譯器會生成LOAD_GLOBAL和STORE_GLOBAL
• 如果變量是閉包變量，編譯器會生成LOAD_DEREF和STORE_DEREF

7. 總結(jié)

Python變量的實現(xiàn)機制比看起來復雜得多，它涉及到字節(jié)碼指令、命名空間、作用域以及編譯器的決策邏輯。

通過理解這些概念，可以更好地掌握Python的變量行為，尤其是在復雜的作用域場景中。

如果對CPython的實現(xiàn)感興趣，可以進一步閱讀其源碼中與變量相關(guān)的部分。

以上就是一文探索CPython的變量實現(xiàn)機制的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于CPython變量的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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