深入理解 python 虚拟机：字节码教程(3——深入剖析循环实现原理
循环
普通 for 循环实现原理
我们使用各种例子来理解和循环相关的字节码：
def test_loop(:
for i in range(10:
print(i
上面的代码对应的字节码如下所示：
8 0 LOAD_GLOBAL 0 (range
2 LOAD_CONST 1 (10
4 CALL_FUNCTION 1
6 GET_ITER
>> 8 FOR_ITER 12 (to 22
10 STORE_FAST 0 (i
9 12 LOAD_GLOBAL 1 (print
14 LOAD_FAST 0 (i
16 CALL_FUNCTION 1
18 POP_TOP
20 JUMP_ABSOLUTE 8
>> 22 LOAD_CONST 0 (None
24 RETURN_VALUE
首先是 range 他对应一个 builtin 的类型，在执行上面的字节码的过程当中，首先先将 range 将在进入栈空间当中，然后将常量 10 加载进入栈空间当中，最后会调用指令 CALL_FUNCTION，这个时候会将栈顶的两个元素弹出，调用 range 类型的创建函数，这个函数会返回一个 range 的实例对象。
- 如果迭代器已经迭代完成了，则将栈顶的迭代器弹出，并且将 bytecode 的 counter 加上对应的参数值，在上面的函数字节码当中这个参数值等于 12，也就是说下一条指令为字节码序列的 22 这个位置。
- 如果没有迭代完成则将函数的返回值压入栈顶，并且不需要弹出迭代器，比如当我们第一次调用 __next__ 函数的时候，range 的返回值为0，那么此时栈空间的内容如下所示：
LOAD_GLOBAL，将内嵌函数 print 加载进入栈中，LOAD_FAST 将变量 i 加载进入栈空间当中，此时栈空间的内容如下所示：
综合分析上面的分析过程，实现循环的效果主要是有两个字节码实现的，一个是 FOR_ITER，当迭代器迭代完成之后，会直接跳出循环，实现这个的原理是在字节码的 counter 上加上一个值，另外一个就是 JUMP_ABSOLUTE，他可以直接跳到某一处的字节码位置进行执行。
continue 关键字实现原理
def test_continue(:
for i in range(10:
data = random.randint(0, 10
if data < 5:
continue
print(f"{data = }"
其实通过对上面的字节码的分析之后，我们可以大致分析出 continue 的实现原理，首先我们知道 continue 的语意直接进行下一次循环，这个语意其实和循环体执行完之后的语意是一样的，在上一份代码的分析当中实现这个语意的字节码是 JUMP_ABSOLUTE，直接跳到 FOR_ITER 指令的位置继续开始执行。我们现在来看看上面的函数对应的字节码是什么：
13 0 LOAD_GLOBAL 0 (range
2 LOAD_CONST 1 (10
4 CALL_FUNCTION 1
6 GET_ITER
>> 8 FOR_ITER 40 (to 50
10 STORE_FAST 0 (i
14 12 LOAD_GLOBAL 1 (random
14 LOAD_METHOD 2 (randint
16 LOAD_CONST 2 (0
18 LOAD_CONST 1 (10
20 CALL_METHOD 2
22 STORE_FAST 1 (data
15 24 LOAD_FAST 1 (data
26 LOAD_CONST 3 (5
28 COMPARE_OP 0 (<
30 POP_JUMP_IF_FALSE 34
16 32 JUMP_ABSOLUTE 8
17 >> 34 LOAD_GLOBAL 3 (print
36 LOAD_CONST 4 ('data = '
38 LOAD_FAST 1 (data
40 FORMAT_VALUE 2 (repr
42 BUILD_STRING 2
44 CALL_FUNCTION 1
46 POP_TOP
48 JUMP_ABSOLUTE 8
>> 50 LOAD_CONST 0 (None
52 RETURN_VALUE
- LOAD_GLOBAL 0 (range: 加载全局变量 range，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 1 (10: 加载常量值 10，将其压入栈顶。
- CALL_FUNCTION 1: 调用栈顶的函数，此处为 range 函数，并传入一个参数，参数个数为 1。
- GET_ITER: 获取迭代器对象。
- FOR_ITER 40 (to 50: 迭代循环的开始，当迭代完成之后将字节码的 counter 加上 40，也就是跳转到 50 的位置执行。
- STORE_FAST 0 (i: 将迭代器的值存储到局部变量 i 中。
- LOAD_GLOBAL 1 (random: 加载全局变量 random，将其压入栈顶。
- LOAD_METHOD 2 (randint: 加载对象 random 的属性 randint，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 2 (0: 加载常量值 0，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 1 (10: 加载常量值 10，将其压入栈顶。
- CALL_METHOD 2: 调用栈顶的方法，此处为 random.randint 方法，并传入两个参数，参数个数为 2。
- STORE_FAST 1 (data: 将方法返回值存储到局部变量 data 中。
- LOAD_FAST 1 (data: 加载局部变量 data，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 3 (5: 加载常量值 5，将其压入栈顶。
- COMPARE_OP 0 (<: 执行比较操作 <，将结果压入栈顶。
- POP_JUMP_IF_FALSE 34: 如果栈顶的比较结果为假，则跳转到字节码偏移为 34 的位置。
- JUMP_ABSOLUTE 8: 无条件跳转到字节码偏移为 8 的位置，即循环的下一次迭代。
- LOAD_GLOBAL 3 (print: 加载全局变量 print，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 4 ('data = ': 加载常量字符串 'data = '，将其压入栈顶。
- LOAD_FAST 1 (data: 加载局部变量 data，将其压入栈顶。
- FORMAT_VALUE 2 (repr: 格式化栈顶的值，并指定格式化方式为 repr。
- BUILD_STRING 2: 构建字符串对象，包含两个格式化后的值。
- CALL_FUNCTION 1: 调用栈顶的函数，此处为 print 函数，并传入一个参数，参数个数为 1。
- POP_TOP: 弹出栈顶的值，也就是函数 print 的返回值，print 函数返回值为 None 。
- JUMP_ABSOLUTE 8: 无条件跳转到字节码偏移为 8 的位置，即循环的下一次迭代。
- LOAD_CONST 0 (None: 加载常量值 None，将其压入栈顶。
- RETURN_VALUE: 返回栈顶的值，即 None。
这段字节码实现了一个简单的循环，使用 range 函数生成一个迭代器，然后对迭代器进行遍历，每次遍历都会调用 random.randint 方法生成一个随机数并存储到局部变量 data 中，然后根据 data 的值进行条件判断，如果小于 5 则打印 "data = " 和 data 的值，否则继续下一次循环，直到迭代器结束。最后返回 None。
break 关键字实现原理
def test_break(:
for i in range(10:
data = random.randint(0, 10
if data < 5:
break
return "BREAK"
上面的函数对应的字节码如下所示：
21 0 LOAD_GLOBAL 0 (range
2 LOAD_CONST 1 (10
4 CALL_FUNCTION 1
6 GET_ITER
>> 8 FOR_ITER 28 (to 38
10 STORE_FAST 0 (i
22 12 LOAD_GLOBAL 1 (random
14 LOAD_METHOD 2 (randint
16 LOAD_CONST 2 (0
18 LOAD_CONST 1 (10
20 CALL_METHOD 2
22 STORE_FAST 1 (data
23 24 LOAD_FAST 1 (data
26 LOAD_CONST 3 (5
28 COMPARE_OP 0 (<
30 POP_JUMP_IF_FALSE 8
24 32 POP_TOP
34 JUMP_ABSOLUTE 38
36 JUMP_ABSOLUTE 8
26 >> 38 LOAD_CONST 4 ('BREAK'
40 RETURN_VALUE
这段字节码与之前的字节码相似，但有一些细微的不同。
- LOAD_GLOBAL 0 (range: 加载全局变量 range，将其压入栈顶。
- LOAD_CONST 1 (10: 加载常量值 10，将其压入栈顶。
- CALL_FUNCTION 1: 调用函数，函数参数个数为 1。
- GET_ITER: 从栈顶获取可迭代对象，并返回迭代器对象。
- FOR_ITER 28 (to 38: 遍历迭代器，如果迭代器为空，则跳转到字节码偏移为 38 的位置，即跳出循环，否则继续执行下一条字节码。
- STORE_FAST 0 (i: 将迭代器的当前值存储到局部变量 i 中。
- POP_JUMP_IF_FALSE 8: 如果栈顶的值（即 data）不满足条件（小于 5），则跳转到字节码偏移为 8 的位置，即循环的下一次迭代。
- POP_TOP: 弹出栈顶的值，也就是将迭代器弹出。
- JUMP_ABSOLUTE 38: 无条件跳转到字节码偏移为 38 的位置，即跳出循环。
- JUMP_ABSOLUTE 8: 无条件跳转到字节码偏移为 8 的位置，即循环的下一次迭代。
最后，字节码加载了一个常量字符串 'BREAK'，并通过 RETURN_VALUE 操作将其作为返回值返回。这段字节码实现了类似于之前的循环，但在满足条件时使用了 POP_TOP 和跳转指令来优化循环的执行。
总结
在本本篇文章当中主要给大家分析了在python当中也循环有关的字节码，实现循环操作的主要是几个核心的字节码 FOR_ITER，JUMP_ABSOLUTE，GET_ITER 等等。只要深入了解了这几个字节码的功能理解循环的过程就很简单了。
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