深入Python解释器理解Python中的字节码

我最近在参与Python字节码相关的工作，想与大家分享一些这方面的经验。更准确的说，我正在参与2.6到2.7版本的CPython解释器字节码的工作。

Python是一门动态语言，在命令行工具下运行时，本质上执行了下面的步骤：

•     当第一次执行到一段代码时，这段代码会被编译（如，作为一个模块加载，或者直接执行）。根据操作系统的不同，这一步生成后缀名是pyc或者pyo的二进制文件。
•     解释器读取二进制文件，并依次执行指令（opcodes）。

Python解释器是基于栈的。要理解数据流向，我们需要知道每条指令的栈效应（如，操作码和参数）。

探索Python二进制文件

得到一个二进制文件字节码的最简单方式，是对CodeType结构进行解码：
 

import marshal
fd = open('path/to/my.pyc', 'rb')
magic = fd.read(4) # 魔术数，与python版本相关
date = fd.read(4) # 编译日期
code_object = marshal.load(fd)
fd.close()

code_object包含了一个CodeType对象，它代表被加载文件的整个模块。为了查看这个模块的类定义、方法等的所有嵌套编码对象（编码对象，原文为code object），我们需要递归地检查CodeType的常量池。就像下面的代码：
 

import types

def inspect_code_object(co_obj, indent=''):
print indent, "%s(lineno:%d)" % (co_obj.co_name, co_obj.co_firstlineno)
for c in co_obj.co_consts:
if isinstance(c, types.CodeType):
inspect_code_object(c, indent + ' ')

inspect_code_object(code_object) # 从第一个对象开始

这个案例中，我们打印出一颗编码对象树，每个编码对象是其父对象的子节点。对下面的代码：
 

class A:
def __init__(self):
pass
def __repr__(self):
return 'A()'
a = A()
print a

我们得到的树形结果是：

<module>(lineno:2)
 A(lineno:2)
 __init__(lineno:3)
 __repr__(lineno:5)

为了测试，我们可以通过compile指令，编译一个包含Python源码的字符串，从而能够得到一个编码对象：
 

co_obj = compile(python_source_code, '<string>', 'exec')

要获取更多关于编码对象的信息，我们可以查阅Python文档的co_* fields 部分。

初见字节码

一旦我们得到了编码对象，我们就可以开始对它进行拆解了（在co_code字段）。从字节码中解析出它的含义：

• ? 解释操作码的含义
• ? 提取任意参数

dis模块的disassemble函数展示了是如何做到的。对我们前面例子，它输出的结果是：

2 0 LOAD_CONST 0 ('A')
 3 LOAD_CONST 3 (())
 6 LOAD_CONST 1 (<code object A at 0x42424242, file "<string>", line 2>)
 9 MAKE_FUNCTION 0
 12 CALL_FUNCTION 0
 15 BUILD_CLASS
 16 STORE_NAME 0 (A)

8 19 LOAD_NAME  0 (A)
 22 CALL_FUNCTION 0
 25 STORE_NAME 1 (a)

9 28 LOAD_NAME  1 (a)
 31 PRINT_ITEM
 32 PRINT_NEWLINE
 33 LOAD_CONST 2 (None)
 36 RETURN_VALUE

我们得到了：

•     行号（当它改变时）
•     指令的序号
•     当前指令的操作码
•     操作参数（oparg），操作码用它来计算实际的参数。例如，对于LOAD_NAME操作码，操作参数指向tuple co_names的索引。
•     计算后的实际参数（圆括号内）

对于序号为6的指令，操作码LOAD_CONST的操作参数，指向需要从tuple co_consts加载的对象。这里，它指向A的类型定义。同样的，我们能够继续并反编译所有的代码对象，得到模块的全部字节码。

字节码的第一部分（序号0到16），与A的类型定义有关；其他的部分是我们实例化A，并打印它的代码。

有趣的字节码构造

所有的操作码都是相当直接易懂的，但是由于下面的原因，在个别情况下会显得奇怪：

•     编译器优化
•     解释器优化（因此会导致加入额外的操作码）

顺序变量赋值

首先，我们看看顺序地对多个元素赋值，会发生什么：

(1) a, b = 1, '2'
(2) a, b = 1, e
(3) a, b, c = 1, 2, e
(4) a, b, c, d = 1, 2, 3, e

这4中语句，会产生差别相当大的字节码。

第一种情况最简单，因为赋值操作的右值（RHS）只包含常量。这种情况下，CPython会创建一个(1, ‘a') 的t uple，使用UNPACK_SEQUENCE操作码，把两个元素压到栈上，并对变量a和b分别执行STORE_FAST操作：

0 LOAD_CONST 5 ((1, '2'))
3 UNPACK_SEQUENCE 2
6 STORE_FAST 0 (a)
9 STORE_FAST 1 (b)

而第二种情况，则在右值引入了一个变量，因此一般情况下，会调用一条取值指令（这里简单地调用了LOAD_GLOBAL指令）。但是，编译器不需要在栈上为这些值创建一个新的tuple，也不需要调用UNPACK_SEQUENCE（序号18）；调用ROT_TWO就足够了，它用来交换栈顶的两个元素（虽然交换指令19和22也可以达到目的）。

12 LOAD_CONST 1 (1)
15 LOAD_GLOBAL 0 (e)
18 ROT_TWO
19 STORE_FAST 0 (a)
22 STORE_FAST 1 (b)

第三种情况变得很奇怪。把表达式放到栈上与前一种情况的处理方式相同，但是在交换栈顶的3个元素后，它再次交换了栈顶的2个元素：

25 LOAD_CONST 1 (1)
28 LOAD_CONST 3 (2)
31 LOAD_GLOBAL 0 (e)
34 ROT_THREE
35 ROT_TWO
36 STORE_FAST 0 (a)
39 STORE_FAST 1 (b)
42 STORE_FAST 2 (c)

最后一种情况是通用的处理方式，ROT_*操作看起来行不通了，编译器创建了一个tuple，然后调用UNPACK_SEQUENCE把元素放到栈上：

45 LOAD_CONST 1 (1)
48 LOAD_CONST 3 (2)
51 LOAD_CONST 4 (3)
54 LOAD_GLOBAL 0 (e)
57 BUILD_TUPLE 4
60 UNPACK_SEQUENCE 4
63 STORE_FAST 0 (a)
66 STORE_FAST 1 (b)
69 STORE_FAST 2 (c)
72 STORE_FAST 3 (d)

函数调用构造

最后一组有趣的例子是关于函数调用构造，以及创建调用的4个操作码。我猜测这些操作码的数量是为了优化解释器代码，因为它不像Java，有invokedynamic，invokeinterface，invokespecial，invokestatic或者invokevirtual之一。

Java中，invokeinterface，invokespecial和invokevirtual都是从静态类型语言中借鉴来的（invokespecial只被用来调用构造函数和父类AFAIK）。Invokestatic是自我描述的（不需要把接收方放在栈上），在Python中没有类似的概念（在解释器层面上，而不是装饰者）。简短的说，Python调用都能被转换成invokedynamic。

在Python中，不同的CALL_*操作码确实不存在，原因是类型系统，静态方法，或者特殊访问构造器的需求。它们都指向了Python中一个函数调用是如何确定的。从语法来看：

调用结构允许代码这些写：
 

func(arg1, arg2, keyword=SOME_VALUE, *unpack_list, **unpack_dict)

关键字参数允许通过形式参数的名称来传递参数，而不仅仅是通过位置。*符号从一个可迭代的容器中取出所有元素，作为参数传入（逐个元素，不是以tuple的形式），而**符号处理一个包含关键字和值的字典。

这个例子用到了调用构造的几乎所有特性：
? 传递变量参数列表（_VAR）：CALL_FUNCTION_VAR, CALL_FUNCTION_VAR_KW
? 传递基于字典的关键字（_KW）：CALL_FUNCTION_KW, CALL_FUNCTION_VAR_KW

字节码是这样的：

0 LOAD_NAME 0 (func)
3 LOAD_NAME 1 (arg1)
6 LOAD_NAME 2 (arg2)
9 LOAD_CONST 0 ('keyword')
12 LOAD_NAME 3 (SOME_VALUE)
15 LOAD_NAME 4 (unpack_list)
18 LOAD_NAME 5 (unpack_dict)
21 CALL_FUNCTION_VAR_KW 258

通常，CALL_FUNCTION调用将oparg解析为参数个数。但是，更多的信息被编码。第一个字节（0xff掩码）存储参数的个数，第二个字节（(value >> 8) & 0xff）存储传递的关键字参数个数。为了要计算需要从栈顶弹出的元素个数，我们需要这么做：
 

na = arg & 0xff # num args
nk = (arg >> 8) & 0xff # num keywords
n_to_pop = na + 2 * nk + CALL_EXTRA_ARG_OFFSET[op]

CALL_EXTRA_ARG_OFFSET包含了一个偏移量，由调用操作码确定（对CALL_FUNCTION_VAR_KW来说，是2）。这里，在访问函数名称前，我们需要弹出6个元素。

对于其他的CALL_*调用，完全依赖于代码是否使用列表或者字典传递参数。只需要简单的组合即可。

构造一个极小的CFG

为了理解代码是如何运行的，我们可以构造一个控制流程图（control-flow graph，CFG），这个过程非常有趣。我们通过它，查看在什么条件下，哪些无条件判断的操作码（基本单元）序列会被执行。

即使字节码是一门真正的小型语言，构造一个运行稳定的CFG需要大量的细节工作，远超出本博客的范围。因此如果需要一个真实的CFG实现，你可以看看这里equip。

在这里，我们只关注没有循环和异常的代码，因此控制流程只依赖与if语句。

只有少数几个操作码能够执行地址跳转（对没有循环和异常的情况）；它们是：

    JUMP_FORWARD：在字节码中跳转到一个相对位置。参数是跳过的字节数。
    JUMP_IF_FALSE_OR_POP，JUMP_IF_TRUE_OR_POP，JUMP_ABSOLUTE，POP_JUMP_IF_FALSE，以及POP_JUMP_IF_TRUE：参数都是字节码中的绝对地址。

为一个函数够造CFG，意味着要创建基本的单元（不包含条件判断的操作码序列——除非有异常发生），并且把它们与条件和分支连在一起，构成一个图。在我们的例子中，我们只有True、False和无条件分支。

让我们来考虑下面的代码示例（在实际中绝对不要这样用）：
 

def factorial(n):
if n <= 1:
return 1
elif n == 2:
return 2
return n * factorial(n - 1)

如前所述，我们得到factorial方法的代码对象：
 

module_co = compile(python_source, '', 'exec')
meth_co = module_co.co_consts[0]

反汇编结果是这样的（<<<后是我的注释）：
 

3  0 LOAD_FAST  0 (n)
  3 LOAD_CONST  1 (1)
  6 COMPARE_OP  1 (<=)
  9 POP_JUMP_IF_FALSE 16  <<< control flow

4  12 LOAD_CONST  1 (1)
  15 RETURN_VALUE    <<< control flow

5 >> 16 LOAD_FAST  0 (n)
  19 LOAD_CONST  2 (2)
  22 COMPARE_OP  2 (==)
  25 POP_JUMP_IF_FALSE 32  <<< control flow

6  28 LOAD_CONST  2 (2)
  31 RETURN_VALUE    <<< control flow

7 >> 32 LOAD_FAST  0 (n)
  35 LOAD_GLOBAL  0 (factorial)
  38 LOAD_FAST  0 (n)
  41 LOAD_CONST  1 (1)
  44 BINARY_SUBTRACT
  45 CALL_FUNCTION  1
  48 BINARY_MULTIPLY
  49 RETURN_VALUE    <<< control flow

在这个字节码中，我们有5条改变CFG结构的指令（添加约束条件，或者允许快速退出）：

    POP_JUMP_IF_FALSE：跳转到绝对地址16和32；
    RETURN_VALUE：从栈顶弹出一个元素，并返回。

提取基本单元很简单，因为我们只关心那些改变控制流程的指令。在我们的例子中，我们没有遇到强制跳转指令，如JUMP_FORWARD或JUMP_ABSOLUTE。

提取这类结构的代码示例：

import opcode
RETURN_VALUE = 83
JUMP_FORWARD, JUMP_ABSOLUTE = 110, 113
FALSE_BRANCH_JUMPS = (111, 114) # JUMP_IF_FALSE_OR_POP, POP_JUMP_IF_FALSE

def find_blocks(meth_co):
 blocks = {}
 code = meth_co.co_code
 finger_start_block = 0
 i, length = 0, len(code)
 while i < length:
 op = ord(code[i])
 i += 1
 if op == RETURN_VALUE: # We force finishing the block after the return,
    # dead code might still exist after though...
 blocks[finger_start_block] = {
 'length': i - finger_start_block - 1,
 'exit': True
 }
 finger_start_block = i
 elif op >= opcode.HAVE_ARGUMENT:
 oparg = ord(code[i]) + (ord(code[i+1]) << 8)
 i += 2
 if op in opcode.hasjabs: # Absolute jump to oparg
 blocks[finger_start_block] = {
  'length': i - finger_start_block
 }
 if op == JUMP_ABSOLUTE: # Only uncond absolute jump
  blocks[finger_start_block]['conditions'] = {
  'uncond': oparg
  }
 else:
  false_index, true_index = (oparg, i) if op in FALSE_BRANCH_JUMPS else (i, oparg)
  blocks[finger_start_block]['conditions'] = {
  'true': true_index,
  'false': false_index
  }
 finger_start_block = i
 elif op in opcode.hasjrel:
 # Essentially do the same...
 pass

 return blocks

我们得到了下面的基本单元：
 

Block 0: {'length': 12, 'conditions': {'false': 16, 'true': 12}}
Block 12: {'length': 3, 'exit': True}
Block 16: {'length': 12, 'conditions': {'false': 32, 'true': 28}}
Block 28: {'length': 3, 'exit': True}
Block 32: {'length': 17, 'exit': True}

以及单元的当前结构：
 

Basic blocks
 start_block_index :=
 length := size of instructions
 condition := true | false | uncond -> target_index
 exit* := true

我们得到了控制流程图（除了入口和隐式的退出单元），之后我们可以把它转化成可视化的图形：
 

def to_dot(blocks):
cache = {}

def get_node_id(idx, buf):
if idx not in cache:
cache[idx] = 'node_%d' % idx
buf.append('%s [label="Block Index %d"];' % (cache[idx], idx))
return cache[idx]

buffer = ['digraph CFG {']
buffer.append('entry [label="CFG Entry"]; ')
buffer.append('exit [label="CFG Implicit Return"]; ')

for block_idx in blocks:
node_id = get_node_id(block_idx, buffer)
if block_idx == 0:
buffer.append('entry -> %s;' % node_id)
if 'conditions' in blocks[block_idx]:
for cond_kind in blocks[block_idx]['conditions']:
target_id = get_node_id(blocks[block_idx]['conditions'][cond_kind], buffer)
buffer.append('%s -> %s [label="%s"];' % (node_id, target_id, cond_kind))
if 'exit' in blocks[block_idx]:
buffer.append('%s -> exit;' % node_id)

buffer.append('}')
return 'n'.join(buffer)

可视化的流程控制图：

为什么有这篇文章？

需要访问Python字节码的情况确实很少见，但是我已经遇到过几次这种情形了。我希望，这篇文章能够帮助那些开始研究Python逆向工程的人们。

然而现在，我正在研究Python代码，尤其是它的字节码。由于目前在Python中尚不存在这样的工具（并且检测源代码通常会留下非常低效的装饰器检测代码），这就是为什么equip会出现的原因。