聲明：本翻譯是出于交流學(xué)習(xí)的目的，基于 CC BY-NC-SA 4.0 授權(quán)協(xié)議。為便于閱讀，內(nèi)容略有改動(dòng)。

每種編程語(yǔ)言為了表現(xiàn)出色，并且實(shí)現(xiàn)卓越的性能，都需要大量編譯器級(jí)的優(yōu)化。

一種著名的優(yōu)化技術(shù)是“常量折疊”（Constant Folding）：在編譯期間，編譯器會(huì)設(shè)法識(shí)別出常量表達(dá)式，對(duì)其進(jìn)行求值，然后用求值的結(jié)果來(lái)替換表達(dá)式，從而使得運(yùn)行時(shí)更精簡(jiǎn)。

在本文中，我們深入探討了什么是常量折疊，了解了它在 Python 世界中的適用范圍，最后解讀了 Python 的源代碼（即 CPython），并分析出 Python 是如何優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)它。

常量折疊

所謂常量折疊，指的是在編譯時(shí)就查找并計(jì)算常量表達(dá)式，而不是在運(yùn)行時(shí)再對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，從而會(huì)使運(yùn)行時(shí)更加精簡(jiǎn)和快速。

>>>?day_sec?=?24?*?60?*?60

當(dāng)編譯器遇到一個(gè)常量表達(dá)式時(shí)，如上所述，它將對(duì)表達(dá)式求值，并作替換。

通常而言，表達(dá)式會(huì)被“抽象語(yǔ)法樹(shù)”（ Abstract Syntax Tree，簡(jiǎn)寫為 AST）中的計(jì)算值所替換，但是這完全取決于語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。

因此，上述表達(dá)式可以等效地被執(zhí)行為：

>>>?day_sec?=?86400

Python 中的常量折疊

在 Python 中，我們可以使用反匯編模塊（Disassembler）獲取 CPython 字節(jié)碼，從而更好地了解代碼執(zhí)行的過(guò)程。

當(dāng)使用dis模塊反匯編上述常量表達(dá)式時(shí)，我們會(huì)得到以下字節(jié)碼：

>>>?import?dis
>>>?dis.dis("day_sec?=?24?*?60?*?60")

????????0?LOAD_CONST???????????????0?(86400)
????????2?STORE_NAME???????????????0?(day_sec)
????????4?LOAD_CONST???????????????1?(None)
????????6?RETURN_VALUE

從字節(jié)碼中可以看出，它只有一個(gè)LOAD_CONST ，以及一個(gè)已經(jīng)計(jì)算好的值86400。

這表明 CPython 解釋器在解析和構(gòu)建抽象語(yǔ)法樹(shù)期間，會(huì)折疊常量表達(dá)式 24 * 60 * 60，并將其替換為計(jì)算值 86400。

常量折疊的適應(yīng)范圍

Python 會(huì)嘗試折疊每一個(gè)常量表達(dá)式，但在某些情況下，即使該表達(dá)式是常量，但是 Python 并不會(huì)對(duì)其進(jìn)行折疊。

例如，Python 不會(huì)折疊x = 4 ** 64，但會(huì)折疊 x = 2 ** 64。

除了算術(shù)表達(dá)式，Python 還會(huì)折疊涉及字符串和元組的表達(dá)式，其中，長(zhǎng)度不超過(guò) 4096 的字符串常量表達(dá)式會(huì)被折疊。

>>>?a?=?"-"?*?4096???#?folded
>>>?a?=?"-"?*?4097???#?not?folded
>>>?a?=?"--"?*?4096??#?not?folded

常量折疊的內(nèi)部細(xì)節(jié)

現(xiàn)在，我們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，即關(guān)注 CPython 在哪里以及如何實(shí)現(xiàn)常量折疊。

所有的 AST 優(yōu)化（包括常量折疊）都可以在 ast_opt.c 文件中找到?；镜拈_(kāi)始函數(shù)是 astfold_expr，它會(huì)折疊 Python 源碼中包含的所有表達(dá)式。

這個(gè)函數(shù)以遞歸方式遍歷 AST，并試著折疊每個(gè)常量表達(dá)式，如下面的代碼片段所示：

astfold_expr 在折疊某個(gè)表達(dá)式之前，會(huì)嘗試折疊其子表達(dá)式（操作對(duì)象），然后將折疊操作代理給特定的表達(dá)式折疊函數(shù)。

特定操作的折疊函數(shù)對(duì)表達(dá)式求值，并返回計(jì)算后的常數(shù)，然后將其放入 AST 中。

例如，每當(dāng) astfold_expr 遇到二值運(yùn)算時(shí)，它便調(diào)用 fold_binop，遞歸地計(jì)算兩個(gè)子操作對(duì)象（表達(dá)式） 。

fold_binop 函數(shù)返回計(jì)算后的常量值，如下面的代碼片段所示：

fold_binop 函數(shù)通過(guò)檢查當(dāng)前運(yùn)算符的種類，然后調(diào)用其相應(yīng)的處理函數(shù)來(lái)折疊二值運(yùn)算。例如，如果當(dāng)前的操作是加法運(yùn)算，為了計(jì)算最終值，它會(huì)對(duì)其左側(cè)和右側(cè)操作數(shù)調(diào)用 PyNumber_Add。

怎樣優(yōu)雅？

為了有效地折疊某些模式或類型的常量表達(dá)式，CPython 不會(huì)寫特殊的邏輯，而是調(diào)用相同的通用代碼。例如，在折疊時(shí)，它會(huì)調(diào)用通用的 PyNumber_Add 函數(shù)，跟執(zhí)行常規(guī)的加法操作一樣。

因此，CPython 通過(guò)確保其通用代碼/計(jì)算過(guò)程可以處理常量表達(dá)式的求值，從而消除了編寫特殊函數(shù)來(lái)處理常量折疊的需要。

參考材料

• 常量折疊 (https://en.wikipedia.org/wiki/Constant_folding)
• CPython優(yōu)化(https://stummjr.org/post/cpython-optimizations/)
• Python dis模塊與常量折疊(https://yasoob.me/2019/02/26/python-dis-module-and-constant-folding/)
• CPython實(shí)現(xiàn)常量折疊的簡(jiǎn)單方法(https://utcc.utoronto.ca/~cks/space/blog/python/CPythonConstantFolding)
• AST的常量折疊優(yōu)化過(guò)程(https://bugs.python.org/issue1346238)