laike9m's blog

Python 真的是靠一个 switch 来执行字节码的吗？

如果你读任何 (C)Python 源码分析的书或者文章，里面都会讲 Python 的 ceval.c 中有一个大 switch，会根据不同的 opcode 跳到相应的 case 去执行字节码。甚至 Anthony Shaw 的新书《CPython Internals》也是这么讲的。

然而实际上，CPython （在大部分情况下）早就不这么做了。这篇文章会解释为什么。下文中 Python 均指 CPython。

分支预测

为了解释清楚整个过程，我们必须从底层讲起。分支预测（Branch Prediction）是 CPU 必备的功能。准确的分支预测能大大提高指令流水线的性能，反之则导致性能损耗。

Python 刚发明的时候，每一个 bytecode 的确需要进行一次 switch 跳转。而 C 语言的 switch 语句会导致分支预测不准，因为 CPU 无法预测程序会跳到哪个 case（下一个指令）。如果不进行优化，每执行一条字节码指令都将导致一次分支预测错误，可以想象对性能的损耗有多大。

优化技巧

问题的关键就在于 switch...case 的跳转是个一对多的情况。想象你面对一道有十个选项的选择题，你不会知道哪个是正确答案。然而如果有十道题各一个选项，答案就都确定了。Python 采用的优化业无非也就是这么回事。

Python 用了一种叫做 computed goto 的技巧，依赖于编译器的 label as value 功能。详细原理大家就看链接里的解释吧。总之效果就是，可以把解释器主循环中的 switch...case 替换成 while loop，在每个 Python 的指令处理完之后，显示地用 goto 跳转到下一条指令。大概长这样：

int interp_cgoto(unsigned char* code, int initval) {
    /* The indices of labels in the dispatch_table are the relevant opcodes
    */
    static void* dispatch_table[] = {&&do_op1, &&do_op2, &&do_op3};
    #define DISPATCH() goto *dispatch_table[code[pc++]]

    int pc = 0;
    int val = initval;

    DISPATCH();
    while (1) {
        do_op1:
            return val;
        do_op2:
            val++;
            DISPATCH();
        do_op3:
            val--;
            DISPATCH();
    }
}

每个 goto 都是一次跳转，并且只有一个目标（下一条指令），这就让分支预测变得容易，从而性能也获得了极大提升（根据 Python 的注释，提升可达 15% ~ 20%）。

实现

下面讲一下 Python 是如何实现上面提到的优化的。

编译中判断要不要开启 computed goto

这部分。。非常蛋疼。我花了不少时间试图弄清楚，最后还是放弃了。这个回答里记录了我的一些发现。总之大概的意思就是，Python 允许用户通过 --with-computed-gotos 和 --without-computed-gotos 参数在编译的时候控制要不要开启 computed goto。默认是开启的。同时编译期间还会判断当前使用的编译器支不支持 computed goto（GCC, Clang 支持，MSVC 不支持）。如果两个条件都满足，在 ceval.c 中就会启用 computed goto。

ceval.c 中的实现

首先，label 是在 opcode_targets.h 中定义，并被 include 到 ceval.c 的。

这一段 定义了 computed goto enabled 和 disabled 时的跳转行为，我把简化过的代码贴在下面：

#if USE_COMPUTED_GOTOS
/* Import the static jump table */
#include "opcode_targets.h"

#define TARGET(op) op: TARGET_##op

#define DISPATCH() { \
    _Py_CODEUNIT word = *next_instr; \
    opcode = _Py_OPCODE(word); \
    oparg = _Py_OPARG(word); \
    next_instr++; \
    goto *opcode_targets[opcode]; \
}

#else

#define TARGET(op) op
#define DISPATCH() continue

#endif

嗯，简化了相当多的东西，但这能让我们更清晰地看出只有在 USE_COMPUTED_GOTOS 的情况下，DISPATCH() 才会用 goto 去跳到下一个 opcode 的 label。

下面是极简版的主循环代码：

for (;;) {
  switch (opcode) {
      case TARGET(LOAD_CONST): {
        // 处理 LOAD_CONST
        DISPATCH();
      }
      // 其它 opcode 省略了
  }
}

先看 computed goto 未启用时，把代码中的宏展开（替换 TARGET 和 DISPATCH）的结果：

for (;;) {
  switch (opcode) {
      case LOAD_CONST: {
        // 处理 LOAD_CONST
        continue;
      }
  }
}

嗯，就是这样了，很直接了当的 switch...case。

再看 computed goto 启用时，把代码中的宏展开的结果：

for (;;) {
  switch (opcode) {
    case LOAD_CONST:
    TARGET_LOAD_CONST: { // 注意这里多了一个 label
      // 处理 LOAD_CONST
      _Py_CODEUNIT word = *next_instr;
      opcode = _Py_OPCODE(word);
      oparg = _Py_OPARG(word);
      next_instr++;
      goto *opcode_targets[opcode];
    }
  }
}

可以看到，在处理完 LOAD_CONST 之后，通过 next_instr 拿到下一个 opcode，然后执行goto *opcode_targets[opcode]; ，跳到另一个由 opname 命名的 label（参见 opcode_targets.h ），比如 TARGET_STORE_NAME:。这里的关键点在于，代码直接跳转到了下一个指令对应的 label，并不经过 switch。这也就回答了文章一开始的问题：

Python 真的是靠一个 switch 来执行字节码的吗？

答案是：

只要 Python 启用了 computed goto （比如在 Mac 和 Linux 上），字节码的执行就不依赖 switch。

顺便一提，这个功能是在 Python 3.2 中变为默认开启的：

Computed gotos are now enabled by default on supported compilers (which are detected by the configure script). They can still be disabled selectively by specifying --without-computed-gotos.

comments powered by Disqus

top