python虛擬機器怎麼使用
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- 2023-05-15 19:31:151370瀏覽
python 字節碼設計
一條python 字節碼主要有兩部分組成，一部分是操作碼，一部分是這個操作碼的參數，在cpython 當中只有部分字節碼有參數，如果對應的字節碼沒有參數，那麼oparg 的值就等於0 ，在cpython 當中opcode
opcode 和 oparg 各佔一個位元組，cpython 虛擬機器使用小端方式保存字節碼。
我們使用下面的程式碼片段先了解一下字節碼的設計：
import dis
def add(a, b):
return a + b
if __name__ == '__main__':
print(add.__code__.co_code)
print("bytecode: ", list(bytearray(add.__code__.co_code)))
dis.dis(add)上面的程式碼在python3.9 的輸出如下所示：
b'|\x00|\x01\x17\x00S\x00'
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首先需要了解的是add.__code__.co_code 是函數add 的字節碼，是一個位元組序列，list(bytearray(add.__code__.co_code)) 是將和這個序列一個位元組一個位元組進行分開，並將其變成10 進位形式。根據前面我們談到的每一則指令——字節碼佔用2 個字節，因此上面的字節碼有四個指令：
操作碼和對應的操作指令在文末有詳細的對應表。在上面的程式碼當中主要使用到了三個字節碼指令分別是 124，23 和 83 ，他們對應的操作指令分別為 LOAD_FAST，BINARY_ADD，RETURN_VALUE。他們的意義如下：
LOAD_FAST：將 varnames[var_num] 壓入堆疊頂端。 BINARY_ADD：從堆疊中彈出兩個物件並且將它們相加的結果壓入堆疊頂部。 RETURN_VALUE：彈出堆疊頂部的元素，將其作為函數的傳回值。
首先我們需要知道的是 BINARY_ADD 和 RETURN_VALUE，這兩個操作指令是沒有參數的，因此在這兩個操作碼之後的參數都是 0 。
但是 LOAD_FAST 是有參數的，在上面我們已經知道 LOAD_FAST 是將 co-varnames[var_num] 壓入堆疊，var_num 就是指令 LOAD_FAST 的參數。在上面的程式碼當中一共有兩個 LOAD_FAST 指令，分別是將 a 和 b 壓入到堆疊中，他們在 varnames 當中的下標分別是 0 和 1，因此他們的操作數就是 0 和 1 。
字節碼擴充參數
在上面我們談到的python 字節碼運算元和操作碼各佔一個字節，但是如果varnames 或常數量表的資料的個數大於1 個位元組的表示範圍的話那麼改如何處理呢？
為了解決這個問題，cpython 為字節碼設計的擴展參數，比如說我們要載入常量表當中的下標為66113 的對象，那麼對應的字節碼如下：
[144, 1, 144, 2, 100, 65]
其中144 表示EXTENDED_ARG，他本質上不是一個python 虛擬機器需要執行的字節碼，這個欄位設計出來主要是為了用與計算擴充參數的。
100 對應的操作指令是LOAD_CONST ，其操作碼是65，但是上面的指令並不會載入常量表當中下標為65 對象，而是會載入下標為66113 的對象，原因就是因為EXTENDED_ARG 。
現在來模擬一下上面的分析過程：
先讀取一條字節碼指令，操作碼等於144 ，說明是擴充參數，那麼此時的參數arg 就等於(1 x (1
上面的計算過程以程式碼表示如下，下面的程式碼當中 code 就是真正的位元組序列 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 << 8) if op == EXTENDED_ARG else 0
else:
arg = None
yield (i, op, arg)我們可以使用程式碼來驗證我們前面的分析：
import dis
def 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 ans
if __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)上面的程式碼輸出結果如下所示：
b'\x90\x01\x90\x02dA'
0 EXTENDED_ARG 1
2 EXTENDED_ARG 258
4 LOAD_CONST 66113 (66113)根據上面程式的輸出結果可以看到我們的分析結果是正確的。
原始碼字節碼映射表
在本小節主要分析一個 code object 物件當中的 co_lnotab 字段，透過分析一個特定的字段來學習這個字段的設計。
import dis
def add(a, b):
a += 1
b += 2
return a + b
if __name__ == '__main__':
dis.dis(add.__code__)
print(f"{list(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = }")
print(f"{add.__code__.co_firstlineno = }")首先 dis 的輸出第一列是字節碼對應的源代碼的行號，第二列是字節碼在字節序列當中的位移。
上面的程式碼輸出結果如下所示：
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_VALUE
list(bytearray(add.__code__.co_lnotab)) = [0, 1, 8, 1, 8, 1]
add.__code__.co_firstlineno = 5從上面程式碼的輸出結果可以看出字節碼一共分成三段，每段表示一行程式碼的字節碼。現在我們來分析一下 co_lnotab 這個字段，這個字段其實也是兩個位元組為一段的。例如上面的 [0, 1, 8, 1, 8, 1] 就可以分成三段 [0, 1], [8, 1], [8, 1] 。這其中的意義分別為：
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 dis code = """ x=1 y=2 """ \ + "\n" * 500 + \ """ z=x+y """ code = compile(code, '<string>', 'exec') print(list(bytearray(code.co_lnotab))) print(code.co_firstlineno) dis.dis(code)
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)| 操作 | 操作码 |
|---|---|
| POP_TOP | 1 |
| ROT_TWO | 2 |
| ROT_THREE | 3 |
| DUP_TOP | 4 |
| DUP_TOP_TWO | 5 |
| ROT_FOUR | 6 |
| NOP | 9 |
| UNARY_POSITIVE | 10 |
| UNARY_NEGATIVE | 11 |
| UNARY_NOT | 12 |
| UNARY_INVERT | 15 |
| BINARY_MATRIX_MULTIPLY | 16 |
| INPLACE_MATRIX_MULTIPLY | 17 |
| BINARY_POWER | 19 |
| BINARY_MULTIPLY | 20 |
| BINARY_MODULO | 22 |
| BINARY_ADD | 23 |
| BINARY_SUBTRACT | 24 |
| BINARY_SUBSCR | 25 |
| BINARY_FLOOR_DIVIDE | 26 |
| BINARY_TRUE_DIVIDE | 27 |
| INPLACE_FLOOR_DIVIDE | 28 |
| INPLACE_TRUE_DIVIDE | 29 |
| RERAISE | 48 |
| WITH_EXCEPT_START | 49 |
| GET_AITER | 50 |
| GET_ANEXT | 51 |
| BEFORE_ASYNC_WITH | 52 |
| END_ASYNC_FOR | 54 |
| INPLACE_ADD | 55 |
| INPLACE_SUBTRACT | 56 |
| INPLACE_MULTIPLY | 57 |
| INPLACE_MODULO | 59 |
| STORE_SUBSCR | 60 |
| DELETE_SUBSCR | 61 |
| BINARY_LSHIFT | 62 |
| BINARY_RSHIFT | 63 |
| BINARY_AND | 64 |
| BINARY_XOR | 65 |
| BINARY_OR | 66 |
| INPLACE_POWER | 67 |
| GET_ITER | 68 |
| GET_YIELD_FROM_ITER | 69 |
| PRINT_EXPR | 70 |
| LOAD_BUILD_CLASS | 71 |
| YIELD_FROM | 72 |
| GET_AWAITABLE | 73 |
| LOAD_ASSERTION_ERROR | 74 |
| INPLACE_LSHIFT | 75 |
| INPLACE_RSHIFT | 76 |
| INPLACE_AND | 77 |
| INPLACE_XOR | 78 |
| INPLACE_OR | 79 |
| LIST_TO_TUPLE | 82 |
| RETURN_VALUE | 83 |
| IMPORT_STAR | 84 |
| SETUP_ANNOTATIONS | 85 |
| YIELD_VALUE | 86 |
| POP_BLOCK | 87 |
| POP_EXCEPT | 89 |
| STORE_NAME | 90 |
| DELETE_NAME | 91 |
| UNPACK_SEQUENCE | 92 |
| FOR_ITER | 93 |
| UNPACK_EX | 94 |
| STORE_ATTR | 95 |
| DELETE_ATTR | 96 |
| STORE_GLOBAL | 97 |
| DELETE_GLOBAL | 98 |
| LOAD_CONST | 100 |
| LOAD_NAME | 101 |
| BUILD_TUPLE | 102 |
| BUILD_LIST | 103 |
| BUILD_SET | 104 |
| BUILD_MAP | 105 |
| LOAD_ATTR | 106 |
| COMPARE_OP | 107 |
| IMPORT_NAME | 108 |
| IMPORT_FROM | 109 |
| JUMP_FORWARD | 110 |
| JUMP_IF_FALSE_OR_POP | 111 |
| JUMP_IF_TRUE_OR_POP | 112 |
| JUMP_ABSOLUTE | 113 |
| POP_JUMP_IF_FALSE | 114 |
| POP_JUMP_IF_TRUE | 115 |
| LOAD_GLOBAL | 116 |
| IS_OP | 117 |
| CONTAINS_OP | 118 |
| JUMP_IF_NOT_EXC_MATCH | 121 |
| SETUP_FINALLY | 122 |
| LOAD_FAST | 124 |
| STORE_FAST | 125 |
| DELETE_FAST | 126 |
| RAISE_VARARGS | 130 |
| CALL_FUNCTION | 131 |
| MAKE_FUNCTION | 132 |
| BUILD_SLICE | 133 |
| LOAD_CLOSURE | 135 |
| LOAD_DEREF | 136 |
| STORE_DEREF | 137 |
| DELETE_DEREF | 138 |
| CALL_FUNCTION_KW | 141 |
| CALL_FUNCTION_EX | 142 |
| SETUP_WITH | 143 |
| LIST_APPEND | 145 |
| SET_ADD | 146 |
| MAP_ADD | 147 |
| LOAD_CLASSDEREF | 148 |
| EXTENDED_ARG | 144 |
| SETUP_ASYNC_WITH | 154 |
| FORMAT_VALUE | 155 |
| BUILD_CONST_KEY_MAP | 156 |
| BUILD_STRING | 157 |
| LOAD_METHOD | 160 |
| CALL_METHOD | 161 |
| LIST_EXTEND | 162 |
| SET_UPDATE | 163 |
| DICT_MERGE | 164 |
| DICT_UPDATE | 165 |
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