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上一篇文章我們說(shuō)了 Python 函數(shù)的底層實(shí)現(xiàn)，并且還演示了如何通過(guò)函數(shù)的類型對(duì)象自定義一個(gè)函數(shù)，以及如何獲取函數(shù)的參數(shù)。雖然這在工作中沒(méi)有太大意義，但是可以讓我們深刻理解函數(shù)的行為。 那么接下來(lái)看看函數(shù)是如何調(diào)用的。 在介紹調(diào)用之前，我們需要補(bǔ)充一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。 def foo():
pass
class A:
def foo(self):
pass
print(type(foo)) # <class 'function'>
print(type(A().foo)) # <class 'method'>
print(type(sum)) # <class 'builtin_function_or_method'>
print(type("".join)) # <class 'builtin_function_or_method'>
如果采用 Python 實(shí)現(xiàn)，那么函數(shù)的類型是 function，方法的類型是 method。而如果采用原生的 C 實(shí)現(xiàn)，那么函數(shù)和方法的類型都是 builtin_function_or_method。
關(guān)于方法，等我們介紹類的時(shí)候再說(shuō)，先來(lái)看看函數(shù)。 
所以函數(shù)分為兩種： Python 實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，在底層由 PyFunctionObject 結(jié)構(gòu)體實(shí)例表示，其類型對(duì)象 <class 'function'> 在底層由 PyFunction_Type 表示。 C 實(shí)現(xiàn)的函數(shù)（還有方法），在底層由 PyCFunctionObject 結(jié)構(gòu)體實(shí)例表示，其類型對(duì)象 <class 'builtin_function_or_method'> 在底層由 PyCFunction_Type 表示。
像我們使用 def 關(guān)鍵字定義的就是 Python 實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，而內(nèi)置函數(shù)則是 C 實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，它們?cè)诘讓訉?duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，因?yàn)?C 實(shí)現(xiàn)的函數(shù)可以有更快的執(zhí)行方式。 我們來(lái)調(diào)用一個(gè)函數(shù)，看看它的字節(jié)碼是怎樣的。 import dis
code_string = """
def foo(a, b):
return a + b
foo(1, 2)
"""
dis.dis(compile(code_string, "<file>", "exec"))
字節(jié)碼指令如下： 0 RESUME 0
# 加載 PyCodeObject 對(duì)象，壓入運(yùn)行時(shí)棧
2 LOAD_CONST 0 (<code object foo at 0x7f...>)
# 從棧頂彈出 PyCodeObject 對(duì)象，構(gòu)建函數(shù)
4 MAKE_FUNCTION 0
# 將符號(hào) foo 和函數(shù)對(duì)象綁定起來(lái)，存儲(chǔ)在名字空間中
6 STORE_NAME 0 (foo)
8 PUSH_NULL
# 加載全局變量 foo，壓入運(yùn)行時(shí)棧
10 LOAD_NAME 0 (foo)
# 加載常量 1，壓入運(yùn)行時(shí)棧
12 LOAD_CONST 1 (1)
# 加載常量 2，壓入運(yùn)行時(shí)棧
14 LOAD_CONST 2 (2)
# 彈出 foo 和參數(shù)，進(jìn)行調(diào)用
# 指令參數(shù) 2，表示給調(diào)用的函數(shù)傳遞了兩個(gè)參數(shù)
# 函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，將返回值壓入棧中
16 CALL 2
# 因?yàn)闆](méi)有用變量保存，所以從棧頂彈出返回值并丟棄
24 POP_TOP
# 隱式的 return None
26 RETURN_CONST 3 (None)
# 函數(shù)內(nèi)部邏輯對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼，比較簡(jiǎn)單，就不說(shuō)了
Disassembly of <code object foo at 0x7f6...>:
0 RESUME 0
2 LOAD_FAST 0 (a)
4 LOAD_FAST 1 (b)
6 BINARY_OP 0 (+)
10 RETURN_VALUE
我們看到函數(shù)調(diào)用使用的是 CALL 指令，那么這個(gè)指令都做了哪些事情呢？ TARGET(CALL) {
// ...
// 運(yùn)行時(shí)棧從棧底到棧頂?shù)脑胤謩e是：NULL, 函數(shù), 參數(shù)1, 參數(shù) 2, ...
// 至于為啥會(huì)有一個(gè) NULL，我們?cè)倏匆幌聞偛诺淖止?jié)碼指令就明白了
// 在 LOAD_NAME 將函數(shù)對(duì)象的指針壓入運(yùn)行時(shí)棧之前，先執(zhí)行了 PUSH_NULL
// 所以棧底元素是 NULL，不過(guò)問(wèn)題又來(lái)了，為啥要往棧里面壓入一個(gè) NULL 呢
// PUSH_NULL 這個(gè)指令我們之前也見(jiàn)過(guò)，只不過(guò)當(dāng)時(shí)沒(méi)有解釋
// 它是干嘛的，接下來(lái)你就會(huì)明白
// oparg 表示給函數(shù)傳遞的參數(shù)的個(gè)數(shù)，所以 args 指向第一個(gè)參數(shù)
PyObject **args = (stack_pointer - oparg);
// 等價(jià)于 *(args - 1)，顯然這是函數(shù)
PyObject *callable = stack_pointer[-(1 + oparg)];
// *(args - 2) 毫無(wú)疑問(wèn)就是棧底元素 NULL
// 但它卻被賦值為 method，難道和方法有關(guān)嗎？
PyObject *method = stack_pointer[-(2 + oparg)];
PyObject *res; // 返回值
#line 2653 "Python/bytecodes.c"
// 如果 method 不為 NULL，說(shuō)明執(zhí)行的不是普通的函數(shù)，而是方法
// 所謂方法其實(shí)就是將函數(shù)和 self 綁定起來(lái)的結(jié)果
int is_meth = method != NULL;
int total_args = oparg;
// 總之現(xiàn)在我們明白為什么要壓入一個(gè) NULL 了，就是為了和方法調(diào)用保持統(tǒng)一
// 如果調(diào)用的是方法，那么棧里的元素就是：函數(shù), self, 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
// 方法是對(duì)函數(shù)和 self 的綁定，調(diào)用方法本質(zhì)上還是在調(diào)用函數(shù)
// 只不過(guò)調(diào)用的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)傳遞 self，舉個(gè)例子
/*
* class A:
* def foo(self):
* pass
*
* a = A()
*/
// 如果是 A.foo，那么拿到的就是普通的函數(shù)
// 因?yàn)楹瘮?shù)定義在類里面，所以 A.foo 也叫類的成員函數(shù)，但它依舊是一個(gè)普通的函數(shù)
// 如果是 a.foo，那么拿到的就是方法，它會(huì)將 A.foo 和實(shí)例對(duì)象 a 自身綁定起來(lái)
// 調(diào)用方法時(shí)會(huì)自動(dòng)傳遞 self，所以 a.foo() 本質(zhì)上就是 A.foo(a)
if (is_meth) { // 當(dāng) is_meth 為真時(shí)
callable = method; // method 才是要調(diào)用的 callable
args--; // 此時(shí) self 變成了真正意義上的第一個(gè)參數(shù)，因此 args--
total_args++; // 參數(shù)個(gè)數(shù)加 1，因此 total_args++
}
// 通過(guò) PUSH_NULL，可以讓函數(shù)和方法的調(diào)用對(duì)應(yīng)同一個(gè)指令
// 當(dāng)然，即使不考慮方法，提前 PUSH 一個(gè) NULL 在邏輯上也是正確的
// 因?yàn)槿魏魏瘮?shù)都有返回值，執(zhí)行完之后要設(shè)置在棧頂?shù)奈恢?/span>
// 而一開(kāi)始 PUSH 的 NULL 正好為返回值預(yù)留了空間
// ...
// 如果調(diào)用的函數(shù)，那么棧里的元素是：NULL, 函數(shù), 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
// 如果調(diào)用的方法，那么棧里的元素是：函數(shù), self, 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
// 但對(duì)于方法而言，棧里的元素還有一種情況：NULL, 方法, 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
// 對(duì)于這種情況，要將方法里面的函數(shù)和 self 提取出來(lái)
// 所以當(dāng) is_meth 為 0，但 callable 的類型是 <class 'method'> 時(shí)
if (!is_meth && Py_TYPE(callable) == &PyMethod_Type) {
is_meth = 1; // 將 is_meth 設(shè)置為 1
args--; // args 依舊向前移動(dòng)一個(gè)位置
total_args++; // 參數(shù)總個(gè)數(shù)加 1
// 獲取方法里面的實(shí)例對(duì)象
PyObject *self = ((PyMethodObject *)callable)->im_self;
// args 向前移動(dòng)一個(gè)位置之后，它指向了目前方法所在的位置
// 將該位置的值換成 self
args[0] = Py_NewRef(self);
// 獲取方法里面的函數(shù)
method = ((PyMethodObject *)callable)->im_func;
// 將 args 的前一個(gè)位置的值設(shè)置成函數(shù)
args[-1] = Py_NewRef(method);
Py_DECREF(callable);
callable = method;
// 所以之前棧里的元素是：NULL, 方法, 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
// args 之前也指向`參數(shù)1`，但在 args-- 之后，便指向了`方法`
// 等到將 args[0] 設(shè)置成 self，將 args[-1] 設(shè)置成函數(shù)之后
// 棧里的元素就變成了：函數(shù), self, 參數(shù)1, 參數(shù)2, ...
}
// 到這里為止，不管是調(diào)用函數(shù)還是調(diào)用方法，邏輯都變得統(tǒng)一了
// 此時(shí)變量 callable 指向?qū)嶋H要調(diào)用的函數(shù)
// args 指向第一個(gè)參數(shù)，total_args 表示參數(shù)的個(gè)數(shù)
int positional_args = total_args - KWNAMES_LEN();
// 函數(shù)在初始化時(shí)，它的 vectorcall 字段會(huì)被設(shè)置為 _PyFunction_Vectorcall
// 所以對(duì)于函數(shù)來(lái)講，下面這個(gè)條件是成立的，因此可以被內(nèi)聯(lián)
if (Py_TYPE(callable) == &PyFunction_Type &&
tstate->interp->eval_frame == NULL &&
((PyFunctionObject *)callable)->vectorcall == _PyFunction_Vectorcall)
{
// 獲取 co_flags
int code_flags = ((PyCodeObject*)PyFunction_GET_CODE(callable))->co_flags;
// 如果是函數(shù)的 PyCodeObject，那么 local 名字空間指定為 NULL
// 因?yàn)榫植孔兞坎皇菑?nbsp;local 名字空間中加載的，而是靜態(tài)訪問(wèn)的
PyObject *locals = code_flags & CO_OPTIMIZED ? NULL : \
Py_NewRef(PyFunction_GET_GLOBALS(callable));
// 在當(dāng)前棧幀之上創(chuàng)建新的棧幀，初始化相關(guān)字段
// 然后推入到虛擬機(jī)為其準(zhǔn)備的 C Stack 中
_PyInterpreterFrame *new_frame = _PyEvalFramePushAndInit(
tstate, (PyFunctionObject *)callable, locals,
args, positional_args, kwnames
);
kwnames = NULL;
// 將運(yùn)行時(shí)棧清空
STACK_SHRINK(oparg + 2);
if (new_frame == NULL) {
goto error;
}
JUMPBY(INLINE_CACHE_ENTRIES_CALL);
frame->return_offset = 0;
DISPATCH_INLINED(new_frame);
}
// 到這里 callable 不是一個(gè)普通的 Python 函數(shù)，但它支持 vector 協(xié)議
// 進(jìn)行調(diào)用
res = PyObject_Vectorcall(
callable, args,
positional_args | PY_VECTORCALL_ARGUMENTS_OFFSET,
kwnames);
// ...
kwnames = NULL;
assert((res != NULL) ^ (_PyErr_Occurred(tstate) != NULL));
Py_DECREF(callable);
for (int i = 0; i < total_args; i++) {
Py_DECREF(args[i]);
}
if (res == NULL) { STACK_SHRINK(oparg); goto pop_2_error; }
#line 3790 "Python/generated_cases.c.h"
STACK_SHRINK(oparg);
STACK_SHRINK(1);
stack_pointer[-1] = res;
next_instr += 3;
CHECK_EVAL_BREAKER();
DISPATCH();
}
當(dāng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，會(huì)執(zhí)行 _PyFunction_Vectorcall，否則執(zhí)行 PyObject_Vectorcall。 以上就是函數(shù)的調(diào)用邏輯，然后再補(bǔ)充一點(diǎn)，我們說(shuō) PyFrameObject 是根據(jù) PyCodeObject 創(chuàng)建的，而 PyFunctionObject 也是根據(jù) PyCodeObject 創(chuàng)建的，那么 PyFrameObject 和 PyFunctionObject 之間有啥關(guān)系呢？ 如果把 PyCodeObject 比喻成妹子的話，那么 PyFunctionObject 就是妹子的備胎，PyFrameObject 就是妹子的心上人。其實(shí)在棧幀中執(zhí)行指令的時(shí)候，PyFunctionObject 的影響就已經(jīng)消失了。 也就是說(shuō)，最終是 PyFrameObject 對(duì)象和 PyCodeObject 對(duì)象兩者如膠似漆，跟 PyFunctionObject 對(duì)象之間沒(méi)有關(guān)系，所以 PyFunctionObject 辛苦一場(chǎng)，實(shí)際上是為別人做了嫁衣。PyFunctionObject 主要是對(duì) PyCodeObject 和 global 名字空間的一種打包和運(yùn)輸方式。
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