前言
如果你曾經寫過或者用過 Python，你可能已經習慣了看到 Python 源代碼文件；它們的名稱以.Py 結尾。你可能還見過另一種類型的文件是 .pyc 結尾的，它們就是 Python “字節碼”文件。(在 Python3 的時候這個 .pyc 后綴的文件不太好找了,它在一個名為__pycache__的子目錄下面。).pyc文件可以防止Python每次運行時都重新解析源代碼，該文件大大節省了時間。
Python是如何工作的
Python 通常被描述為一種解釋語言，在這種語言中，你的源代碼在程序運行時被翻譯成CPU指令，但這只是說對了部分。和許多解釋型語言一樣，Python 實際上將源代碼編譯為虛擬機的一組指令，Python 解釋器就是該虛擬機的實現。其中這種中間格式稱為“字節碼”。
因此，Python留下的這些.pyc文件，是為了讓運行的速快變得 “更快”，或者是針對你的源代碼的”優化“的版本；它們是 Python 虛擬機上運行的字節碼指令。
Python 虛擬機內幕
CPython使用基于堆棧的虛擬機。也就是說，它完全圍繞堆棧數據結構(你可以將項目“推”到結構的“頂部”，或者將項目“彈出”到“頂部”)。
CPython 使用三種類型的棧：
1.調用堆棧。這是運行中的Python程序的主要結構。對于每個當前活動的函數調用，它都有一個項目一“幀”，堆棧的底部是程序的入口點。每次函數調用都會將新的幀推到調用堆棧上，每次函數調用返回時，它的幀都會彈出
2.在每一幀中，都有一個評估堆棧(也稱為數據堆棧)。這個堆棧是執行 Python 函數的地方，執行Python代碼主要包括將東西推到這個堆棧上，操縱它們，然后將它們彈出。
3.同樣在每一幀中，都有一個塊堆棧。Python使用它來跟蹤某些類型的控制結構:循環、try /except塊，以及 with 塊都會導致條目被推送到塊堆棧上，每當退出這些結構之一時，塊堆棧就會彈出。這有助于Python知道在任何給定時刻哪些塊是活動的，例如，continue或break語句可以影響正確的塊。
大多數 Python 字節碼指令操作的是當前調用棧幀的計算棧，雖然，還有一些指令可以做其它的事情（比如跳轉到指定指令，或者操作塊棧）。
為了更好地理解，假設我們有一些調用函數的代碼，比如這個：
my_function(my_variable,2)。
Python 將轉換為一系列字節碼指令：
1.一個LOAD_NAME指令，用于查找函數對象 my_function，并將其推送到計算棧的頂部
2.另一個 LOAD_NAME 指令去查找變量 my_variable，并將其推送到計算棧的頂部
3.一個 LOAD_CONST 指令將一個整數 2 推送到計算棧的頂部
4.一個 CALL_FUNCTION 指令
CALL_FUNCTION 指令有2個參數，它表示 Python 需要在堆棧頂部彈出兩個位置參數; 然后函數將在它上面進行調用，并且它也同時被彈出（關鍵字參數的函數，使用指令-CALL_FUNCTION_KW-類似的操作，并配合使用第三條指令CALL_FUNCTION_EX，它適用于函數調用涉及到參數使用 * 或 ** 操作符的情況）
一旦 Python 具備了這些，它將在調用堆棧上分配一個新的幀，填充到函數調用的本地變量，然后運行該幀內的 my_function 的字節碼。一旦運行完成，幀將從調用堆棧中彈出，在原始幀中，my_function 的返回值將被推入到計算棧的頂部。
我們知道了這個東西了，也知道字節碼了文件了，但是如何去使用字節碼呢？ok不知道也沒關系，接下來的時間我們所有的話題都將圍繞字節碼，在python有一個模塊可以通過反編譯Python代碼來生成字節碼這個模塊就是今天要說的--dis模塊。
dis模塊的使用
dis模塊包括一些用于處理 Python 字節碼的函數，可以將字節碼“反匯編”為更便于人閱讀的形式。查看解釋器運行的字節碼還有助于優化代碼。這個模塊對于查找多線程中的競態條件也很有用，因為可以用它評估代碼中哪一點線程控制可能切換。參考源碼Include/opcode.h，可以找到字節碼的正式列表。詳細可以看官方文檔。注意不同版本的python生成的字節碼內容可能不一樣,這里我用的Python 3.8.
訪問和理解字節碼
輸入如下內容，然后運行它：
def hello()
print("Hello, World!")
import dis
dis.dis(hello)
函數 dis.dis() 將反匯編一個函數、方法、類、模塊、編譯過的 Python 代碼對象、或者字符串包含的源代碼，以及顯示出一個人類可讀的版本。dis 模塊中另一個方便的功能是 distb()。你可以給它傳遞一個 Python 追溯對象，或者在發生預期外情況時調用它，然后它將在發生預期外情況時反匯編調用棧上最頂端的函數，并顯示它的字節碼，以及插入一個指向到引發意外情況的指令的指針。
它也可以用于查看 Python 為每個函數構建的編譯后的代碼對象，因為運行一個函數將會用到這些代碼對象的屬性。這里有一個查看 hello() 函數的示例：
>>> hello.__code__
", line 1>
>>> hello.__code__.co_consts
(None, 'Hello, World!')
>>> hello.__code__.co_varnames
()
>>> hello.__code__.co_names
('print',)
代碼對象在函數中可以以屬性 __code__ 來訪問，并且攜帶了一些重要的屬性：
co_consts 是存在于函數體內的任意實數的元組
co_varnames 是函數體內使用的包含任意本地變量名字的元組
co_names 是在函數體內引用的任意非本地名字的元組
許多字節碼指令--尤其是那些推入到棧中的加載值，或者在變量和屬性中的存儲值--在這些元組中的索引作為它們參數。
因此，現在我們能夠理解 hello() 函數中所列出的字節碼：
1、LOAD_GLOBAL 0：告訴 Python 通過 co_names （它是 print 函數）的索引 0 上的名字去查找它指向的全局對象，然后將它推入到計算棧
2、LOAD_CONST 1：帶入 co_consts 在索引 1 上的字面值，并將它推入（索引 0 上的字面值是 None，它表示在 co_consts 中，因為 Python 函數調用有一個隱式的返回值 None，如果沒有顯式的返回表達式，就返回這個隱式的值 ）。
3、CALL_FUNCTION 1：告訴 Python 去調用一個函數；它需要從棧中彈出一個位置參數，然后，新的棧頂將被函數調用。
“原始的” 字節碼--是非人類可讀格式的字節--也可以在代碼對象上作為 co_code 屬性可用。如果你有興趣嘗試手工反匯編一個函數時，你可以從它們的十進制字節值中，使用列出 dis.opname 的方式去查看字節碼指令的名字。
基本反匯編
函數dis()可以打印 Python 源代碼(模塊、類、方法、函數或代碼對象)的反匯編表示。可以通過從命令行運行 dis 來反匯編 dis_simple.py 之類的模塊。
dis_simple.py
#!/usr/bin/env python3
# encoding: utf-8
my_dict = {'a': 1}
輸出按列組織，包含原始源代碼行號，代碼對象中的指令地址，操作碼名稱以及傳遞給操作碼的任何參數。
對于簡單的代碼我們可以通過命令行的形式執行下面的命令：
python3 -m dis dis_simple.py
輸出
?1????? 0 LOAD_CONST??????? 0 ('a')
?????? 2 LOAD_CONST??????? 1 (1)
?????? 4 BUILD_MAP??????? 1
?????? 6 STORE_NAME??????? 0 (my_dict)
?????? 8 LOAD_CONST??????? 2 (None)
?????? 10 RETURN_VALUE
在這里源代碼轉換為4個不同的操作來創建和填充字典，然后將結果保存到一個局部變量。
首先解釋每一行各列參數的含義：
以第一條指令為例：
第一列 數字（1）表示對應源代碼的行數。
第二列（可選）指示當前執行的指令（例如，當字節碼來自幀對象時)【這個例子沒有】
第三列 一個標簽，表示從之前的指令到此可能的JUMP 【這個例子沒有】
第四列 數字是字節碼中對應于字節索引的地址(這些是2的倍數，因為Python 3.6每條指令使用2個字節，而在以前的版本中可能會有所不同)指令LOAD_CONST在0位置。
第五列 指令本身對應的人類可讀的名字這里是"LOAD_CONST"
第六列 Python內部用于獲取某些常量或變量，管理堆棧，跳轉到特定指令等的指令的參數（如果有的話）。
第七列 計算后的實際參數。
然后讓我們看看這個過程：
由于 Python 解釋器是基于棧的，所以前幾步是用LOAD_CONST將常量按正確順序放入到棧中，然后使用 BUILD_MAP 彈出要增加到字典的新鍵和值。用 STORE_NAME 將所得到的dict對象綁定名為my_dict.
反匯編函數
需要注意的是上面的命令行反編譯的形式，不能自動的遞歸反編譯函數，所以我們要使用在文件中導入dis的模式進行反編譯，就像下面這樣。
#dis_function.py
def f(*args):
nargs = len(args)
print(nargs, args)
if __name__ == '__main__':
import dis
dis.dis(f)
運行命令
python3 dis_function.py
然后得到以下結果
? 2?????????? 0 LOAD_GLOBAL????????????? 0 (len)
????????????? 2 LOAD_FAST??????????????? 0 (args)
????????????? 4 CALL_FUNCTION??????????? 1
????????????? 6 STORE_FAST?????????????? 1 (nargs)? 3?????????? 8 LOAD_GLOBAL????????????? 1 (print)
???????????? 10 LOAD_FAST??????????????? 1 (nargs)
???????????? 12 LOAD_FAST??????????????? 0 (args)
???????????? 14 CALL_FUNCTION??????????? 2
???????????? 16 POP_TOP
???????????? 18 LOAD_CONST?????????????? 0 (None)
???????????? 20 RETURN_VALUE
要查看函數的內部，必須把函數傳遞到dis().因為這里打印的是函數內部的東西，所以沒有顯示函數的在外層的行編號，而是從2開始的。
下面解析下每一行指令的含義：
1、LOAD_GLOBAL 用來加載全局變量，包括指定函數名，類名，模塊名等全局符號，這里是len函數，LOAD_FAST 一般加載局部變量的值，也就是讀取值，用于計算或者函數調用傳參等，這里就是傳入參數args。
2、一般是先指定要調用的函數，然后壓參數，最后通過 CALL_FUNCTION 調用。
3、STORE_FAST 保存值到局部變量。也就是把結果賦值給 STORE_FAST。
4、下面的print因為2個參數所以LOAD_FAST了2次，POP_TOP刪除堆棧頂部(TOS)項。LOAD_CONST加載const變量，比如數值、字符串等等，這里因為是print所以值為None。
5、最后通過RETURN_VALUE來確定函數結尾。
要打印一個函數的總結信息我們可以使用dis的show_code的方法，它包含使用的參數和名的相關信息，show_code的參數就是這個函數對象，代碼如下:
def f(*args):
nargs = len(args)
print(nargs, args)
if __name__ == '__main__':
import dis
dis.show_code(f)
運行之后，結果如下
Name:????????????? f
Filename:????????? dis_function_showcode.py
Argument count:??? 0
Kw-only arguments: 0
Number of locals:? 2
Stack size:??????? 3
Flags:???????????? OPTIMIZED, NEWLOCALS, VARARGS, NOFREE
Constants:
?? 0: None
Names:
?? 0: len
?? 1: print
Variable names:
?? 0: args
?? 1: nargs
可以看到返回的內容有函數，方法，參數等信息。
反匯編類
上面我們知道了如何反匯編一個函數的內部，同樣的我們也可以用類似的方法反匯編一個類。
我們看一個例子:
import dis
class MyObject:
"""Example for dis."""
CLASS_ATTRIBUTE = 'some value'
def __str__(self):
return 'MyObject({})'.format(self.name)
def __init__(self, name):
self.name = name
if __name__ == '__main__':
dis.dis(MyObject)
運行之和得到如下結果
Disassembly of __init__:
?12?????????? 0 LOAD_FAST??????????????? 1 (name)
????????????? 2 LOAD_FAST??????????????? 0 (self)
????????????? 4 STORE_ATTR?????????????? 0 (name)
????????????? 6 LOAD_CONST?????????????? 0 (None)
????????????? 8 RETURN_VALUEDisassembly of __str__:
? 9?????????? 0 LOAD_CONST?????????????? 1 ('MyObject({})')
????????????? 2 LOAD_METHOD????????????? 0 (format)
????????????? 4 LOAD_FAST??????????????? 0 (self)
????????????? 6 LOAD_ATTR??????????????? 1 (name)
????????????? 8 CALL_METHOD????????????? 1
???????????? 10 RETURN_VALUE
從整體內容來看，結果分為了兩部分Disassembly of __init__和Disassembly of __str__，Disassembly就是反匯編的意思。
首先分析__init__部分：
1、然后需要注意的一點是，方法是按照字母的順序列出的，所以在部分，先看到name再看到self，但是他們都是 LOAD_FAST。
2、STORE_ATTR實現self.name = name。
3、然后LOAD_CONST一個None和RETURN_VALUE標志著函數結束。
接下來分析__str__部分：
1、LOAD_CONST將'MyObject({})'加載到棧
2、然后通過 LOAD_METHOD 調用字符串format方法。這個方法是Python3.7新加入的。
3、LOAD_FAST 也就是到了self了。
4、LOAD_ATTR 一般是調用某個對象的方法時。這里就是self.name的.name操作
5、CALL_METHOD 是 python3.7 新增加的內容，這里是執行方法。
6、RETURN_VALUE表示函數的結束。
上面字符串的拼接我們用了format,之前我一直推薦用f-string,下面就讓我們通過字節碼來分析，為什么f-string比format要高快。
代碼其他代碼不變，把return改成以下內容：
return f'MyObject({self.name})'
再次執行，下面我們只看__str__函數的部分。
Disassembly of __str__: 9 0 LOAD_CONST 1 ('MyObject(') 2 LOAD_FAST 0 (self) 4 LOAD_ATTR 0 (name) 6 FORMAT_VALUE 0 8 LOAD_CONST 2 (')') 10 BUILD_STRING 3 12 RETURN_VALUE
對比發現我們這里沒有了調用方法的操作LOAD_METHOD,取而代之使用了用于實現fstring的FORMAT_VALUE指令。之后通過BUILD_STRING連接堆棧中的計數字符串并將結果字符串推入堆棧.為什么format慢呢， python中的函數調用具有相當大的開銷。 當使用str.format()時,CALL_METHOD 中花費的額外時間是導致str.format()比fstring慢得多。
使用反匯編調試
調試一個異常時，有時要查看哪個字節碼帶來了問題。這個時候就很有用了，要對一個錯誤周圍的代碼反匯編，有多種方法。第一種策略是在交互解釋器中使用dis()報告最后一個異常。
如果沒有向dis()傳入任何參數，那么它會查找一個異常，并顯示導致這個異常的棧頂元素的反匯編效果。
命令行上使用
打開我的命令行執行如下操作:
chennan@chennandeMacBook-Pro-2 ?? ~ ?? python3
Python 3.8.0a3 (v3.8.0a3:9a448855b5, Mar 25 2019, 17:05:20)
[Clang 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import dis
>>> j = 4
>>> i = i + 4
Traceback (most recent call last):
File "
", line 1, in
NameError: name 'i' is not defined
>>> dis.dis()
1 --> 0 LOAD_NAME 0 (i)
2 LOAD_CONST 0 (4)
4 BINARY_ADD
6 STORE_NAME 0 (i)
8 LOAD_CONST 1 (None)
10 RETURN_VALUE
>>>
行號后面的-->就是導致錯誤的操作碼,一個LOAD_NAME指令，由于沒有定義變量i，所以無法將與這個名關聯的值加載到棧中。
代碼中使用distb
程序還可以打印一個活動的traceback的有關信息，將它傳遞到distb()方法。
下面的程序中有個DiviedByZero異常；但是這個公式有兩個除法，所以不清楚是哪一部分出錯，此時我們就可以使用下面的方法:
dis_traceback.py
i = 1
j = 0
k = 3
try:
result = k * (i / j) + (i / k)
except Exception:
import dis
import sys
exc_type, exc_value, exc_tb = sys.exc_info()
dis.distb(exc_tb)
運行之后輸出
? 1?????????? 0 LOAD_CONST?????????????? 0 (1)
????????????? 2 STORE_NAME?????????????? 0 (i)? 2?????????? 4 LOAD_CONST?????????????? 1 (0)
????????????? 6 STORE_NAME?????????????? 1 (j)? 3?????????? 8 LOAD_CONST?????????????? 2 (3)
???????????? 10 STORE_NAME?????????????? 2 (k)? 5????????? 12 SETUP_FINALLY?????????? 24 (to 38)
? 6????????? 14 LOAD_NAME??????????????? 2 (k)
???????????? 16 LOAD_NAME??????????????? 0 (i)
???????????? 18 LOAD_NAME??????????????? 1 (j)
??? -->????? 20 BINARY_TRUE_DIVIDE
???????????? 22 BINARY_MULTIPLY
???????????? 24 LOAD_NAME??????????????? 0 (i)
???????????? 26 LOAD_NAME??????????????? 2 (k)
???????????? 28 BINARY_TRUE_DIVIDE
...
??????? >>?? 96 END_FINALLY
??????? >>?? 98 LOAD_CONST?????????????? 3 (None)
??????????? 100 RETURN_VALUE
結果反映的字節碼很長我們不用全看了，看最開始出現--> 就可以知道錯誤的位置了。
其中SETUP_FINALLY 字節碼的含義是將try塊從try-except子句推入塊堆棧。
這里可以看出將LOAD_NAME 將j壓入棧之后就報錯了。所以可以推斷出在(i/j)就出錯了。
參考資料
- https://docs.python.org/zh-cn/3.7/library/dis.html#opcode-STORE_FAST
- https://opensource.com/article/18/4/introduction-python-bytecode
- https://hackernoon.com/a-closer-look-at-how-python-f-strings-work-f197736b3bdb
總結
以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，謝謝大家對腳本之家的支持。
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