深扒一個​Python最佳化機制：常量折疊

原文： https://arpitbhayani.me/blogs/constant-folding-python

作者：arprit

譯者：豌豆花下貓（「Python貓」公眾號作者）

聲明：本轉譯是出於交流學習的目的，基於 CC BY-NC-SA 4.0 授權協定。為便於閱讀，內容略有改動。

每種程式語言為了表現出色，並且實作卓越的效能，都需要大量編譯器級的最佳化。

一種著名的最佳化技術是「 常量折疊 」（Constant Folding）：在編譯期間，編譯器會設法辨識出常量運算式，對其進行求值，然後用求值的結果來替換運算式，從而使得執行時更精簡。

在本文中，我們將深入探討什麽是常量折疊，了解了它在 Python 世界中的適用範圍，最後解讀 Python 的原始碼（即 CPython），並分析出 Python 是如何優雅地實作它。

常量折疊

所謂常量折疊，指的是 在編譯時 就尋找並計算常量運算式，而不是 在執行時 再對其進行計算，從而會使執行時更加精簡和快速。

>>> day_sec = 24 * 60 * 60


當編譯器遇到一個常量運算式時，如上所述，它將對運算式求值，並作替換。

通常而言，運算式會被「抽象語法樹」（ Abstract Syntax Tree，簡寫為 AST）中的計算值所替換，但是這完全取決於語言的實作。

因此，上述運算式可以等效地被執行為：

>>> day_sec = 86400


Python 中的常量折疊

在 Python 中，我們可以使用 反組譯模組 （Disassembler）獲取 CPython 字節碼，從而更好地了解程式碼執行的過程。

當使用 dis 模組反組譯上述常量運算式時，我們會得到以下字節碼：

>>> 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

從字節碼中可以看出，它只有一個 LOAD_CONST ，以及一個已經計算好的值 86400 。

這表明 CPython 直譯器在解析和構建抽象語法樹期間，會折疊常量運算式 24 * 60 * 60，並將其替換為計算值 86400。

常量折疊的適應範圍

Python 會嘗試折疊每一個常量運算式，但在某些情況下，即使該運算式是常量，但是 Python 並不會對其進行折疊。

例如，Python 不會折疊 x = 4 ** 64 ，但會折疊 x = 2 ** 64 。

除了算術運算式，Python 還會折疊涉及字串和元組的運算式，其中，長度不超過 4096 的字串常量運算式會被折疊。

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


常量折疊的內部細節

現在，我們將重點轉移到內部的實作細節，即關註 CPython 在哪裏以及如何實作常量折疊。

所有的 AST 最佳化（包括常量折疊）都可以在 ast_opt.c 檔中找到。基本的開始函式是 astfold_expr，它會折疊 Python 源碼中包含的所有運算式。

這個函式以遞迴方式遍歷 AST，並試著折疊每個常量運算式，如下面的程式碼片段所示：

astfold_expr 在折疊某個運算式之前，會嘗試折疊其子運算式（操作物件），然後將折疊操作代理給特定的運算式折疊函式。

特定操作的折疊函式對運算式求值，並返回計算後的常數，然後將其放入 AST 中。

例如，每當 astfold_expr 遇到二值運算時，它便呼叫 fold_binop，遞迴地計算兩個子操作物件（運算式） 。

fold_binop 函式返回計算後的常量值，如下面的程式碼片段所示：

fold_binop 函式透過檢查當前運算子的種類，然後呼叫其相應的處理常式來折疊二值運算。例如，如果當前的操作是加法運算，為了計算最終值，它會對其左側和右側運算元呼叫 PyNumber_Add。

怎樣優雅？

為了有效地折疊某些模式或型別的常量運算式，CPython 不會寫特殊的邏輯，而是呼叫相同的通用程式碼。例如，在折疊時，它會呼叫通用的 PyNumber_Add 函式，跟執行常規的加法操作一樣。

因此，CPython 透過確保其通用程式碼/計算過程可以處理常量運算式的求值，從而消除了編寫特殊函式來處理常量折疊的需要。

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