如何在 Python 中实现 goto 语句

系统 1424 0

Python 默认是没有 goto 语句的,但是有一个第三方库支持在 Python 里面实现类似于
goto 的功能:https://github.com/snoack/pyt...。

比如在下面这个例子里,

          
            from goto import with_goto

@with_goto
def func():
    for i in range(2):
        for j in range(2):
            goto .end
    label .end
    return (i, j, k)
          
        

func() 在执行第一遍循环时,就会从最内层的 for j in range(2) 跳到函数的
return 语句前面。

按理说本文到此就该完了,但是这个库有一个限制,如果嵌套的循环层次太深,就无法工作
。比如下面这几行代码:

          
            @with_goto
def func():
    for i in range(2):
        for j in range(2):
            for k in range(2):
                for m in range(2):
                    for n in range(2):
                        goto .end
    label .end
    return (i, j, k, m, n)
          
        

会让它抛出 SyntaxError

本文接下来的内容,就是如何打破这个限制。

python-goto 是如何工作的

python-goto 这个库,通过 decorator 的方式修改了传进来的函数 func
__code__ 属性,把插入的字节码暗桩替换成相关的 JMP 语句。具体的琐碎实现细节,
可以参考该项目下 goto.py 这个文件,一共也就不到两百行。

本文开头的例子中, func 函数的字节码可以用

          
            import dis
dis.dis(func)
          
        

打印出来。

下面贴出不带 @with_goto 时的输出(# 号后面的内容是我加的):实际上

          
            # for i in range(2):
# 7 是源代码行号(跟示例不太对得上,不要太在意细节XD)
# 0/2/4 这些是 offset,在这里每条字节码长度都是 2。
# >> 表示会跳到这里。
  7           0 SETUP_LOOP              40 (to 42)
              2 LOAD_GLOBAL              0 (range)
              4 LOAD_CONST               1 (2)
              6 CALL_FUNCTION            1
              8 GET_ITER
        >>   10 FOR_ITER                28 (to 40)
             12 STORE_FAST               0 (i)

# for j in range(2):
  8          14 SETUP_LOOP              22 (to 38)
             16 LOAD_GLOBAL              0 (range)
             18 LOAD_CONST               1 (2)
             20 CALL_FUNCTION            1
             22 GET_ITER
        >>   24 FOR_ITER                10 (to 36)
             26 STORE_FAST               1 (j)

# goto .end
  9          28 LOAD_GLOBAL              1 (goto)
             30 LOAD_ATTR                2 (end)
             32 POP_TOP
# 结束循环 j
             34 JUMP_ABSOLUTE           24
        >>   36 POP_BLOCK
# 结束循环 i
        >>   38 JUMP_ABSOLUTE           10
        >>   40 POP_BLOCK

# label .end
 10     >>   42 LOAD_GLOBAL              3 (label)
             44 LOAD_ATTR                2 (end)
             46 POP_TOP

# return (i, j, k)
 11          48 LOAD_FAST                0 (i)
             50 LOAD_FAST                1 (j)
             52 LOAD_GLOBAL              4 (k)
             54 BUILD_TUPLE              3
          
        

跟带 @with_goto 时的输出比较,只有这两点差别:

          
            # goto .end
-  9          28 LOAD_GLOBAL              1 (goto)
-             30 LOAD_ATTR                2 (end)
-             32 POP_TOP
+  9          28 POP_BLOCK
+             30 POP_BLOCK
+             32 JUMP_FORWARD            14 (to 48)
          
        
          
            # label .end
- 10     >>   42 LOAD_GLOBAL              3 (label)
-             44 LOAD_ATTR                2 (end)
-             46 POP_TOP
+ 10     >>   42 NOP
+             44 NOP
+             46 NOP

- 11          48 LOAD_FAST                0 (i)
+ 11     >>   48 LOAD_FAST                0 (i)
          
        

在没有引入 @with_goto 时, goto .end 在 Python 解释器的眼里,其实就是
goto.end ,即访问某个叫 goto 的全局域里的对象的 end 属性。该语句会被编译成
三条语句: LOAD_GLOBAL LOAD_ATTR POP_TOP 。这就是插入在字节码里的暗桩。

在引入 @with_goto 之后,这三条语句会被替换成一条 JMP 语句外加若干条辅助的语句
。这样在执行到这些字节码时,就会跳到指定的地方了,比如在上面例子中跳到 offset 48
,也即原来 label .end 的下一条字节码。

(关于 Python 字节码的官方文档并不显眼,藏在 dis 这个模块下。
注意它不是按字母表顺序介绍每个字节码的,所以要想查特定的字节码,需要 Ctrl+F 一下。)

JMP 语句只需要一条,如果要向前跳,就用 JUMP_FORWARD ;向后跳,就用
JUMP_ABSOLUTE 。但是辅助的语句可能不止一条,比如要想从一个 for loop 或者 try
block 跳出来,需要加 POP_BLOCK 语句。有多少层循环就需要加多少条 POP_BLOCK ,比如前面
的示例里是两层循环,就是两条 POP_BLOCK

另外,由于 Python 字节码的长度固定为两个 byte,一个 byte 用于表示字节码的类型,
另一个用于表示参数。如果要想放下超过字节码预留的空位的参数,需要用 EXTENDED_ARG
语句。比如

          
            EXTENDED_ARG             7
EXTENDED_ARG          2046
OP                       x
          
        

那么语句 OP 的参数就是 7 << 16 + 2046 << 8 + x。

对于 JUMP_FORWARD ,它的参数是 offset。所以当目标地址离当前位置的 offset 超过
256 时,需要额外生成 EXTENDED_ARG JUMP_ABSOLUTE 也是同样的道理,只是该语句
的参数是绝对地址。

所以对于深层嵌套内、需要跳到很远的 goto 语句,就要加不少辅助语句。而
python-goto 这个库,在替换暗桩时,并不会额外增加语句。如果所需的语句超过暗桩的
大小,会抛出 SyntaxError。

在 Python 3.6 之前,不带参数的语句只需要 1 个字节,同样 6 个字节的地方,可以
容纳 1 条必需的 JMP 语句和 4 条 POP_BLOCK 。除非你是在一个五层循环里用 goto
不太会碰到这个限制。但是 Python 3.6 之后, POP_BLOCK 也要用 2 个字节了,顿时连
三层循环都 hold 不住了,这个问题就显得尖锐起来。上面还没考虑到需要加
EXTENDED_ARG 的情况。

如何绕过字节码大小的限制

那么一个显而易见的解决方案就浮出水面了:为何不试试在修改字节码的时候,动态改变字
节码的大小,让它有足够的位置容纳新增的辅助语句?这样一来,就能彻底地解决问题了。

这个就是开头说到的,打破限制的方法。

Python 本身是允许动态增大/缩小 __code__ 属性里的字节码的。但是有个问题,Python
里许多字节码依赖特定的位置或者偏移。如果我们挪动了涉及的字节码,需要同步修改这些
语句的参数。(包括我们新生成的 goto 语句里面的 JUMP_ABSOLUTE JUMP_FORWARD

这个听起来简单,似乎只要把参数 patch 成实际修改后的值就好了。然而 Python 是
通过在字节码前面插入 EXTENDED_ARG 来实现定长字节码里支持不定长参数的功能。修改
参数的值可能需要动态调整 EXTENDED_ARG 语句的数量;而调整 EXTENDED_ARG 又反过
来影响到各个语句的参数…… 所以这里需要一个 while True 循环,直到某一次调整不会
触发 EXTENDED_ARG 语句的变化为止。

好在如果我们只单方面增大字节码,就只需要增加 EXTENDED_ARG 语句。而每在一个地方
增加完 EXTENDED_ARG 语句,就意味着对应的 OP 语句参数能缩小 256。后面无论怎么
调整,都不太可能需要再增加多一个 EXTENDED_ARG 语句。这么一来,调整的次数就不会
多。

虽然说起来好像就那么两三段话的事,但是开发难度会很大。因为需要 patch 的字节码类型很多,
大约十来种吧。而且逻辑上较为复杂,牵连的地方很多。实际上我没有实现前述的方案,只是设计了
下而已。如果你要实现它,请在编码时保持内心的平静,另外多写测试用例,不然很容易出问题。


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