Python 2.6.2的字节码指令集一览

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Python 2.6.2的.pyc文件格式

对Python的字节码指令集感兴趣但不知道从何下手么？执行这段代码就能看到字节码的列表：

import opcode
for op in range(len(opcode.opname)):
  print('0x%.2X(%.3d): %s' % (op, op, opcode.opname[op]))

在Python 2.6.2上运行的输出结果：
（格式：操作码的十六进制(十进制): 操作码的助记名）

0x00(000): STOP_CODE
0x01(001): POP_TOP
0x02(002): ROT_TWO
0x03(003): ROT_THREE
0x04(004): DUP_TOP
0x05(005): ROT_FOUR
0x06(006): <6>
0x07(007): <7>
0x08(008): <8>
0x09(009): NOP
0x0A(010): UNARY_POSITIVE
0x0B(011): UNARY_NEGATIVE
0x0C(012): UNARY_NOT
0x0D(013): UNARY_CONVERT
0x0E(014): <14>
0x0F(015): UNARY_INVERT
0x10(016): <16>
0x11(017): <17>
0x12(018): LIST_APPEND
0x13(019): BINARY_POWER
0x14(020): BINARY_MULTIPLY
0x15(021): BINARY_DIVIDE
0x16(022): BINARY_MODULO
0x17(023): BINARY_ADD
0x18(024): BINARY_SUBTRACT
0x19(025): BINARY_SUBSCR
0x1A(026): BINARY_FLOOR_DIVIDE
0x1B(027): BINARY_TRUE_DIVIDE
0x1C(028): INPLACE_FLOOR_DIVIDE
0x1D(029): INPLACE_TRUE_DIVIDE
0x1E(030): SLICE+0
0x1F(031): SLICE+1
0x20(032): SLICE+2
0x21(033): SLICE+3
0x22(034): <34>
0x23(035): <35>
0x24(036): <36>
0x25(037): <37>
0x26(038): <38>
0x27(039): <39>
0x28(040): STORE_SLICE+0
0x29(041): STORE_SLICE+1
0x2A(042): STORE_SLICE+2
0x2B(043): STORE_SLICE+3
0x2C(044): <44>
0x2D(045): <45>
0x2E(046): <46>
0x2F(047): <47>
0x30(048): <48>
0x31(049): <49>
0x32(050): DELETE_SLICE+0
0x33(051): DELETE_SLICE+1
0x34(052): DELETE_SLICE+2
0x35(053): DELETE_SLICE+3
0x36(054): STORE_MAP
0x37(055): INPLACE_ADD
0x38(056): INPLACE_SUBTRACT
0x39(057): INPLACE_MULTIPLY
0x3A(058): INPLACE_DIVIDE
0x3B(059): INPLACE_MODULO
0x3C(060): STORE_SUBSCR
0x3D(061): DELETE_SUBSCR
0x3E(062): BINARY_LSHIFT
0x3F(063): BINARY_RSHIFT
0x40(064): BINARY_AND
0x41(065): BINARY_XOR
0x42(066): BINARY_OR
0x43(067): INPLACE_POWER
0x44(068): GET_ITER
0x45(069): <69>
0x46(070): PRINT_EXPR
0x47(071): PRINT_ITEM
0x48(072): PRINT_NEWLINE
0x49(073): PRINT_ITEM_TO
0x4A(074): PRINT_NEWLINE_TO
0x4B(075): INPLACE_LSHIFT
0x4C(076): INPLACE_RSHIFT
0x4D(077): INPLACE_AND
0x4E(078): INPLACE_XOR
0x4F(079): INPLACE_OR
0x50(080): BREAK_LOOP
0x51(081): WITH_CLEANUP
0x52(082): LOAD_LOCALS
0x53(083): RETURN_VALUE
0x54(084): IMPORT_STAR
0x55(085): EXEC_STMT
0x56(086): YIELD_VALUE
0x57(087): POP_BLOCK
0x58(088): END_FINALLY
0x59(089): BUILD_CLASS
0x5A(090): STORE_NAME
0x5B(091): DELETE_NAME
0x5C(092): UNPACK_SEQUENCE
0x5D(093): FOR_ITER
0x5E(094): <94>
0x5F(095): STORE_ATTR
0x60(096): DELETE_ATTR
0x61(097): STORE_GLOBAL
0x62(098): DELETE_GLOBAL
0x63(099): DUP_TOPX
0x64(100): LOAD_CONST
0x65(101): LOAD_NAME
0x66(102): BUILD_TUPLE
0x67(103): BUILD_LIST
0x68(104): BUILD_MAP
0x69(105): LOAD_ATTR
0x6A(106): COMPARE_OP
0x6B(107): IMPORT_NAME
0x6C(108): IMPORT_FROM
0x6D(109): <109>
0x6E(110): JUMP_FORWARD
0x6F(111): JUMP_IF_FALSE
0x70(112): JUMP_IF_TRUE
0x71(113): JUMP_ABSOLUTE
0x72(114): <114>
0x73(115): <115>
0x74(116): LOAD_GLOBAL
0x75(117): <117>
0x76(118): <118>
0x77(119): CONTINUE_LOOP
0x78(120): SETUP_LOOP
0x79(121): SETUP_EXCEPT
0x7A(122): SETUP_FINALLY
0x7B(123): <123>
0x7C(124): LOAD_FAST
0x7D(125): STORE_FAST
0x7E(126): DELETE_FAST
0x7F(127): <127>
0x80(128): <128>
0x81(129): <129>
0x82(130): RAISE_VARARGS
0x83(131): CALL_FUNCTION
0x84(132): MAKE_FUNCTION
0x85(133): BUILD_SLICE
0x86(134): MAKE_CLOSURE
0x87(135): LOAD_CLOSURE
0x88(136): LOAD_DEREF
0x89(137): STORE_DEREF
0x8A(138): <138>
0x8B(139): <139>
0x8C(140): CALL_FUNCTION_VAR
0x8D(141): CALL_FUNCTION_KW
0x8E(142): CALL_FUNCTION_VAR_KW
0x8F(143): EXTENDED_ARG
0x90(144): <144>
0x91(145): <145>
0x92(146): <146>
0x93(147): <147>
0x94(148): <148>
0x95(149): <149>
0x96(150): <150>
0x97(151): <151>
0x98(152): <152>
0x99(153): <153>
0x9A(154): <154>
0x9B(155): <155>
0x9C(156): <156>
0x9D(157): <157>
0x9E(158): <158>
0x9F(159): <159>
0xA0(160): <160>
0xA1(161): <161>
0xA2(162): <162>
0xA3(163): <163>
0xA4(164): <164>
0xA5(165): <165>
0xA6(166): <166>
0xA7(167): <167>
0xA8(168): <168>
0xA9(169): <169>
0xAA(170): <170>
0xAB(171): <171>
0xAC(172): <172>
0xAD(173): <173>
0xAE(174): <174>
0xAF(175): <175>
0xB0(176): <176>
0xB1(177): <177>
0xB2(178): <178>
0xB3(179): <179>
0xB4(180): <180>
0xB5(181): <181>
0xB6(182): <182>
0xB7(183): <183>
0xB8(184): <184>
0xB9(185): <185>
0xBA(186): <186>
0xBB(187): <187>
0xBC(188): <188>
0xBD(189): <189>
0xBE(190): <190>
0xBF(191): <191>
0xC0(192): <192>
0xC1(193): <193>
0xC2(194): <194>
0xC3(195): <195>
0xC4(196): <196>
0xC5(197): <197>
0xC6(198): <198>
0xC7(199): <199>
0xC8(200): <200>
0xC9(201): <201>
0xCA(202): <202>
0xCB(203): <203>
0xCC(204): <204>
0xCD(205): <205>
0xCE(206): <206>
0xCF(207): <207>
0xD0(208): <208>
0xD1(209): <209>
0xD2(210): <210>
0xD3(211): <211>
0xD4(212): <212>
0xD5(213): <213>
0xD6(214): <214>
0xD7(215): <215>
0xD8(216): <216>
0xD9(217): <217>
0xDA(218): <218>
0xDB(219): <219>
0xDC(220): <220>
0xDD(221): <221>
0xDE(222): <222>
0xDF(223): <223>
0xE0(224): <224>
0xE1(225): <225>
0xE2(226): <226>
0xE3(227): <227>
0xE4(228): <228>
0xE5(229): <229>
0xE6(230): <230>
0xE7(231): <231>
0xE8(232): <232>
0xE9(233): <233>
0xEA(234): <234>
0xEB(235): <235>
0xEC(236): <236>
0xED(237): <237>
0xEE(238): <238>
0xEF(239): <239>
0xF0(240): <240>
0xF1(241): <241>
0xF2(242): <242>
0xF3(243): <243>
0xF4(244): <244>
0xF5(245): <245>
0xF6(246): <246>
0xF7(247): <247>
0xF8(248): <248>
0xF9(249): <249>
0xFA(250): <250>
0xFB(251): <251>
0xFC(252): <252>
0xFD(253): <253>
0xFE(254): <254>
0xFF(255): <255>

助记名为“<n>”形式的是未使用的操作码。

既然叫“字节码”，这些操作码自然是以字节为单位的咯，于是最多只能表示256个不同的操作码。Python实际上只用了百来个操作码。
操作码小于90的为无参数的，指令仅包含操作码自身，共1字节；大于等于90的，则每条指令在操作码之后还带有1个参数，参数长度为2字节，共3字节。
Python程序的字节码在运行时以PyStringObject的形式保存在PyCodeObject的co_code域里。co_code域只含有指令而不包含别的程序数据；变量名、常量等数据均放在别的域里。

Python的字节码指令集是基于栈的指令集。这里说的“栈”不是指函数调用栈，而是指专门用于求值的栈，可以称为“求值栈”（evaluation stack）或者“操作数栈”（operand stack）。求值过程的临时变量都放在求值栈上，指令集中的大部分都是与栈打交道。
例如3 + 4会变成：

LOAD_CONST 0 (3)
LOAT_CONST 1 (4)
BINARY_ADD

假设常量池中下标为0和1的项分别是3和4这两个常量，则头两条指令分别将这两个常量压入求值栈，然后BINARY_ADD指令将求值栈栈顶的两个值弹出，计算加法，并将结果再次压入栈中。理解了这点，则Python的指令集基本上都能顾名思义。操作码对应的具体意义可以在下面的官网文档链接查到。

但既然求值的参数和结果都放在求值栈上，那何必要带参数的指令呢？
关键区别就是，带参数的指令的参数都是一些由编译器指定的常量，例如指向常量池的下标、函数的参数个数、跳转指令的偏移量等。这些值不是Python对象，无法由程序员在源码中显式指定或操纵。
而求值栈上放的则是在源码中显式指定的一些参与计算的值，或者计算后的中间结果。这些值都是Python对象，其行为遵循Python类型系统的规定。

Python字节码中所有控制流指令都是带参数的，并且它们都不额外从求值栈取任何参数。这使得Python字节码程序的控制流在编译时就确定下来，或者说是可静态确定的。这样可以降低控制流被程序代码破坏的风险，也方便了解释器的实现。

python.org上关于Python字节码的详细介绍文档我只找到了一份，是对应Python 2.5.2的字节码列表。Python 2.6.2中大部分指令与这份文档中的相同，但有些细节不同，例如文档中说DUP_TOPX的参数范围是1-5，但在Python 2.6.2里实际上只允许2-3的范围。
在Python 3.x中字节码有了新的调整，至少PRINT_*系列的字节码都取消了。本帖开头的代码在Python 3.x上也可以运行，有兴趣的同学可以对比看看。
对Python字节码的解释方式感兴趣的同学，可以从ceval.c入手，观察Python虚拟机的核心——PyEval_EvalFrameEx()的实现。