什么是常量折疊？Python如何優(yōu)雅地實現(xiàn)它

每種編程語言為了表現(xiàn)出色，并且實現(xiàn)卓越的性能，都需要大量編譯器級的優(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，編譯器會設(shè)法識別出常量表達式，對其進行求值，然后用求值的結(jié)果來替換表達式，從而使得運行時更精簡。

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)雅地實現(xiàn)它。

常量折疊

所謂常量折疊，指的是在編譯時就查找并計算常量表達式，而不是在運行時再對其進行計算，從而會使運行時更加精簡和快速。

>> > day_sec = 24 * 60 * 60

當(dāng)編譯器遇到一個常量表達式時，如上所述，它將對表達式求值，并作替換。

通常而言，表達式會被“抽象語法樹”（ Abstract Syntax Tree，簡寫為 AST）中的計算值所替換，但是這完全取決于語言的實現(xiàn)。

因此，上述表達式可以等效地被執(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)行的過程。

當(dāng)使用dis模塊反匯編上述常量表達式時，我們會得到以下字節(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LOAD_CONST ，以及一個已經(jīng)計算好的值86400。

這表明 CPython 解釋器在解析和構(gòu)建抽象語法樹期間，會折疊常量表達式 24 * 60 * 60，并將其替換為計算值 86400。

常量折疊的適應(yīng)范圍

Python 會嘗試折疊每一個常量表達式，但在某些情況下，即使該表達式是常量，但是 Python 并不會對其進行折疊。

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

除了算術(shù)表達式，Python 還會折疊涉及字符串和元組的表達式，其中，長度不超過 4096 的字符串常量表達式會被折疊。

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

常量折疊的內(nèi)部細節(jié)

現(xiàn)在，我們將重點轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)，即關(guān)注 CPython 在哪里以及如何實現(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_始函數(shù)是 astfold_expr，它會折疊 Python 源碼中包含的所有表達式。

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

astfold_expr 在折疊某個表達式之前，會嘗試折疊其子表達式（操作對象），然后將折疊操作代理給特定的表達式折疊函數(shù)。

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

例如，每當(dāng) astfold_expr 遇到二值運算時，它便調(diào)用 fold_binop，遞歸地計算兩個子操作對象（表達式） 。

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

fold_binop 函數(shù)通過檢查當(dāng)前運算符的種類，然后調(diào)用其相應(yīng)的處理函數(shù)來折疊二值運算。例如，如果當(dāng)前的操作是加法運算，為了計算最終值，它會對其左側(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式，CPython 不會寫特殊的邏輯，而是調(diào)用相同的通用代碼。例如，在折疊時，它會調(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 通過確保其通用代碼/計算過程可以處理常量表達式的求值，從而消除了編寫特殊函數(shù)來處理常量折疊的需要。