深入理解 python 虛擬機(jī)：生成器停止背后的魔法

在本篇文章當(dāng)中主要給大家介紹 Python 當(dāng)中生成器的實(shí)現(xiàn)原理，尤其是生成器是如何能夠被停止執(zhí)行，而且還能夠被恢復(fù)的，這是一個(gè)非常讓人疑惑的地方。因?yàn)檫@與我們通常使用的函數(shù)的直覺(jué)是相違背的，函數(shù)之后執(zhí)行完成之后才會(huì)返回，而生成表面是函數(shù)的形式，但是這違背了我們正常的編程直覺(jué)。

深入理解生成器與函數(shù)的區(qū)別

為了從根本上建立對(duì)生成器的認(rèn)識(shí)，我們首先就需要深入理解一下生成器和函數(shù)的區(qū)別。其實(shí)在從虛擬機(jī)的層面來(lái)看，他們兩個(gè)都是對(duì)象，只不過(guò)一個(gè)是生成器對(duì)象，一個(gè)是函數(shù)對(duì)象。在 Python 當(dāng)中，如果你在函數(shù)里面使用了 yield 語(yǔ)句，那么你的這個(gè)函數(shù)在被調(diào)用的時(shí)候就不會(huì)被執(zhí)行，而是會(huì)返回一個(gè)生成器對(duì)象。

>>> def bar():
...     print("before yield")
...     res = yield 1
...     print(f"{res = }")
...     print("after yield")
...     return "Return Value"
...
>>> generator = bar()
>>> generator
<generator object bar at 0x105267510>
>>> bar
<function bar at 0x10562fc40>
>>>

在 Python 當(dāng)中有的對(duì)象是可以直接調(diào)用的，比如你自己的類(lèi)如果實(shí)現(xiàn)了__call__方法的話(huà)，這個(gè)類(lèi)生成的對(duì)象就是一個(gè)可調(diào)用對(duì)象，在 Python 當(dāng)中一個(gè)最常見(jiàn)的可調(diào)用對(duì)象就是函數(shù)了，生成器和函數(shù)的區(qū)別之一就是，生成器不能夠直接被調(diào)用，而函數(shù)可以。

>>> generator()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'generator' object is not callable
>>>

在上面的代碼當(dāng)中我們要明確 bar 是一個(gè)函數(shù)，但是這個(gè)函數(shù)和正常的函數(shù)有一點(diǎn)區(qū)別，這個(gè)函數(shù)在被調(diào)用的時(shí)候不會(huì)直接執(zhí)行代碼，而是會(huì)返回一個(gè)生成器對(duì)象，因?yàn)樵谶@個(gè)函數(shù)體當(dāng)中使用了 yield 語(yǔ)句，我們稱(chēng)這種函數(shù)為生成器函數(shù) (generator function)，在 Python 當(dāng)中你可以通過(guò)查看一個(gè)函數(shù)的 co_flags 字段查看一個(gè)函數(shù)的屬性，如果這個(gè)字段和 0x0020 進(jìn)行 & 操作之后的結(jié)果大于 0，那么就說(shuō)明這個(gè)函數(shù)是一個(gè)生成器函數(shù)。

>>> (bar.__code__.co_flags & 0x0020) > 0
True
>>> bar.__code__.co_flags & 0x0020
32

從上面的代碼當(dāng)中我們可以看到 bar 就是一個(gè)生成器函數(shù)，除了上面的方法 Python 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)也提供了方法去輔助我們進(jìn)行判斷。

>>> import inspect
>>> inspect.isgeneratorfunction(bar)
True

上面的特性在 Python 程序進(jìn)行編譯的時(shí)候，編譯器可以做到這一點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)當(dāng)中存在類(lèi)似 yield 的語(yǔ)句的時(shí)候就在函數(shù)的 co_flags 字段當(dāng)中和 0x0020 進(jìn)行或操作，然后將這個(gè)值保存在 co_flags 當(dāng)中。

總之生成器和函數(shù)之間的關(guān)系為：生成器對(duì)象是通過(guò)調(diào)用生成器函數(shù)得到的，調(diào)用生成器函數(shù)的返回對(duì)象是生成器。

虛實(shí)交錯(cuò)的時(shí)空魔法

首先我們需要了解的是，如果我們想讓一個(gè)生成器對(duì)象執(zhí)行下去的話(huà)，我們可以使用 next 或者 send 函數(shù)，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：

>>> next(generator)
before yield
1
>>> next(generator)
res = None
after yield
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration: Return Value

在 CPython 實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)當(dāng)中，如果我們想要正確的使用 send 函數(shù)首先需要讓生成器對(duì)象執(zhí)行到第一個(gè) yield 語(yǔ)句，我們可以使用 next(generator) 或者 generator.send(None)。比如在上面的第一條語(yǔ)句當(dāng)中執(zhí)行 next(generator)，運(yùn)行到語(yǔ)句 res = yield 1，但是這條語(yǔ)句還沒(méi)有執(zhí)行完，需要我們調(diào)用 send 函數(shù)之后才能夠完成賦值操作，send 函數(shù)的參數(shù)會(huì)被賦值給變量 res 。當(dāng)整個(gè)函數(shù)體執(zhí)行完成之后虛擬機(jī)就會(huì)拋出 StopIteration 異常，并且將返回值保存到 StopIteration 異常對(duì)象當(dāng)中：

>>> generator = bar()
>>> next(generator)
before yield
1
>>> try:
...     generator.send("None")
... except StopIteration as e:
...     print(f"{e.value = }")
...
res = 'None'
after yield
e.value = 'Return Value'
>>>

上面的代碼當(dāng)中可以看到，我們正確的執(zhí)行力我們?cè)谏厦嬲劦降纳善鞯氖褂梅椒?，并且將生成器?zhí)行完成之后的返回值保存到異常的 value 當(dāng)中。

生成器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理

從上面的關(guān)于生成器的使用方式來(lái)看，生成器可以在函數(shù)執(zhí)行到一半的時(shí)候停止，然后繼續(xù)恢復(fù)執(zhí)行，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)我們就需要有一種手段去保存函數(shù)執(zhí)行的狀態(tài)。但是我們需要保存函數(shù)執(zhí)行的那些狀態(tài)呢？最重要的兩點(diǎn)就是代碼現(xiàn)在執(zhí)行到什么位置了，因?yàn)槲覀冎笠^續(xù)從下一條指令開(kāi)始恢復(fù)執(zhí)行，同時(shí)我們需要保存虛擬機(jī)的棧空間，就是在執(zhí)行字節(jié)碼的時(shí)候使用到的 valuestack，注意這不是棧幀，同時(shí)還有執(zhí)行函數(shù)的局部變量表，這里主要是保存一些局部變量的。而這些東西都保存在虛擬機(jī)的棧幀當(dāng)中了，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊娴奈恼庐?dāng)中已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)了。

因此根據(jù)這些分析我們應(yīng)該知道了，生成器里面最重要的就是一個(gè)虛擬機(jī)的棧幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了。一個(gè)生成器對(duì)象當(dāng)中一定需要有一個(gè)虛擬機(jī)的棧幀，在 CPython 的實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，生成器對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct
{
    /* The gi_ prefix is intended to remind of generator-iterator. */
    PyObject ob_base;
    struct _frame *gi_frame;
    char gi_running;
    PyObject *gi_code;
    PyObject *gi_weakreflist;
    PyObject *gi_name;
    PyObject *gi_qualname;
    _PyErr_StackItem gi_exc_state;
} PyGenObject;

• gi_frame: 這個(gè)字段就是表示生成器所擁有的棧幀。
• gi_running: 表示生成器是否在運(yùn)行。
• gi_code: 表示對(duì)應(yīng)生成器函數(shù)的代碼（字節(jié)碼）。
• gi_weakreflist: 用于保存這個(gè)棧幀對(duì)象保存的弱引用對(duì)象。
• gi_name 和 gi_qualname 都是表示生成器的名字，后者更加詳細(xì)。
• gi_exc_state: 用于保存執(zhí)行生成器代碼之前的程序狀態(tài)，因?yàn)橹暗拇a可能已經(jīng)產(chǎn)生一些異常了，這個(gè)主要用于保存之前的程序狀態(tài)，待生成器返回之后就進(jìn)行恢復(fù)。

class A:
    def hello(self):
        yield 1
if __name__ == '__main__':
    g = A().hello()
    print(g.__name__)
    print(g.__qualname__)

上面的程序輸出結(jié)果為:

hello
A.hello

生成器對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼行為

我們通過(guò)下面的例子來(lái)分析一下，生成器 yield 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼：

>>> import dis
>>> def hello():
...     yield 1
...     yield 2
...
>>> dis.dis(hello)
  2           0 LOAD_CONST               1 (1)
              2 YIELD_VALUE
              4 POP_TOP
  3           6 LOAD_CONST               2 (2)
              8 YIELD_VALUE
             10 POP_TOP
             12 LOAD_CONST               0 (None)
             14 RETURN_VALUE

在上面的程序當(dāng)中只有和生成器相關(guān)的字節(jié)碼為 YIELD_VALUE，在加載完常量 1 之后就會(huì)執(zhí)行 YIELD_VALUE 指令，虛擬機(jī)在執(zhí)行完 yield 指令之后，就會(huì)直接返回，此時(shí)虛擬機(jī)的狀態(tài)——valuestack 和當(dāng)前指令執(zhí)行的位置（在上面的這個(gè)例子當(dāng)中就是 4）都會(huì)被保存到虛擬機(jī)棧幀當(dāng)中，當(dāng)下一次執(zhí)行生成器的代碼的時(shí)候就會(huì)直接從 POP_TOP 指令直接執(zhí)行。

我們?cè)賮?lái)看一下另外一個(gè)比較重要的指令 YIELD_FROM:

>>> def generator_b(gen):
...     yield from gen
...
>>> dis.dis(generator_b)
  2           0 LOAD_FAST                0 (gen)
              2 GET_YIELD_FROM_ITER
              4 LOAD_CONST               0 (None)
              6 YIELD_FROM
              8 POP_TOP
             10 LOAD_CONST               0 (None)
             12 RETURN_VALUE

我們現(xiàn)在用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子重新回顧一下程序的行為：

def generator_a():
    yield 1
    yield 2
def generator_b(gen):
    yield from gen
if __name__ == '__main__':
    gen = generator_b(generator_a())
    print(gen.send(None))
    print(gen.send(None))
    try:
        gen.send(None)
    except StopIteration:
        print("generator exit")

上面的程序輸出結(jié)果如下所示：

1
2
generator exit

從上面程序的輸出結(jié)果我們可以看到 generator_a 的兩個(gè)值都會(huì)被返回，這些魔法隱藏在字節(jié)碼 YIELD_FROM 當(dāng)中。YIELD_FROM 字節(jié)碼會(huì)調(diào)用棧頂上的生成器對(duì)象的 send 方法，并且將參數(shù)生成器對(duì)象 gen 的返回結(jié)果返回，比如 1 和 2 這兩個(gè)值會(huì)被返回到 generator_b ，然后 generator_b 會(huì)將這個(gè)結(jié)果繼續(xù)傳播出來(lái)。

• 在這個(gè)字節(jié)碼執(zhí)行最后會(huì)進(jìn)行判斷虛擬機(jī)當(dāng)中是否出現(xiàn)了 StopIteration 異常，如果出現(xiàn)了則說(shuō) yield from 的生成器已經(jīng)執(zhí)行完了，則 generator_b 繼續(xù)往下執(zhí)行。
• 如果沒(méi)有 StopIteration 異常，則說(shuō)明 yield from 的生成器沒(méi)有執(zhí)行完成，這個(gè)時(shí)候虛擬機(jī)會(huì)將當(dāng)前棧幀的字節(jié)碼執(zhí)行位置往前移動(dòng)，這么做的目的是讓下一次生成器執(zhí)行的時(shí)候繼續(xù)執(zhí)行 YIELD_FROM 字節(jié)碼，這就是 YIELD_FROM 能夠?qū)⒘硪粋€(gè)生成器對(duì)象執(zhí)行完整的秘密。

總結(jié)

在本篇文章當(dāng)中主要分析的生成器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理和相關(guān)的兩個(gè)重要的字節(jié)碼，分析了生成器能夠停下來(lái)還能夠恢復(fù)執(zhí)行的原因。本文最重要的兩點(diǎn)就是區(qū)分函數(shù)和生成器和 YIELD 、YIELD_FROM 兩個(gè)字節(jié)碼，生成器是生成器函數(shù)返回的對(duì)象，YIELD 會(huì)直接進(jìn)行函數(shù)返回，虛擬機(jī)不會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行，YIELD_FROM 除了會(huì)進(jìn)行函數(shù)返回還會(huì)將字節(jié)碼的執(zhí)行位置往前移動(dòng)，以保證 YIELD_FROM 下一次還能夠被執(zhí)行。

本篇文章是深入理解 python 虛擬機(jī)系列文章之一，文章地址：https://github.com/Chang-LeHung/dive-into-cpython

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