LOAD_DEREF

在Python（特别是CPython实现）的字节码指令集中，LOAD_DEREF 是一个操作码，用于从函数的闭包（如果存在）或从当前函数的局部作用域外的命名空间（enclosing scope）中加载一个变量。

这一点在处理嵌套作用域和闭包（closures）时特别重要。当一个内部函数引用了一个在外部函数中定义的变量，这个变量就会被视为一个“自由变量”（free variable）。LOAD_DEREF 指令用于在内部函数中加载这种自由变量。

假设我们有以下Python代码：

def outer():x = 10def inner():print(x)return innerfunc = outer()
func()

在这里，inner 是一个闭包，因为它引用了外部作用域（即 outer 函数）中的变量 x。当 inner 被调用时，它需要能够访问 x，即使 outer 的执行已经完成。这就是 LOAD_DEREF 指令发挥作用的地方。

如果我们用Python的 dis 模块来反汇编 inner 函数，我们可能会看到类似以下内容的字节码：

  5           0 LOAD_GLOBAL              0 (print)2 LOAD_DEREF               0 (x)4 CALL_FUNCTION            16 POP_TOP8 LOAD_CONST               0 (None)10 RETURN_VALUE

注意在第2行中的 LOAD_DEREF 指令。这个指令加载了在 inner 函数外部定义的变量 x。

像 LOAD_CLOSURE、LOAD_FAST 和 LOAD_GLOBAL 等其他字节码指令一样，LOAD_DEREF 是CPython中的实现细节，并不是Python语言规范的一部分。不同的Python实现（比如PyPy, Jython等）可能会有不同的方式来实现相同的功能。

LOAD_CLOSURE

在Python的字节码层面，LOAD_CLOSURE 是一个操作码（opcode）用于实现闭包（closures）的功能。这个操作码负责从当前函数的闭包（closure）中加载一个自由变量（free variable）。

Python中的函数可以引用定义在它们外部作用域的变量。当一个函数引用了这样的外部变量并且被当做对象返回，这个函数就被称为闭包。这些外部作用域的变量称为自由变量。

LOAD_CLOSURE 指令在函数的字节码中出现，用于从该函数的闭包中获取一个自由变量，并将其压入操作数栈顶。这使得该函数能在稍后执行时访问这个自由变量。

举个简单的例子：

def outer(x):def inner(y):return x + yreturn inner# inner 函数是一个闭包，它引用了 outer 函数的局部变量 x

在这个例子中，inner 函数是一个闭包，因为它访问了外部作用域（outer 函数）的变量 x。如果你查看 inner 函数的字节码（通过内置的 dis 模块），你可能会看到 LOAD_CLOSURE 指令，用于加载 x 这个自由变量。

要注意的是，Python字节码并非Python语言规范的一部分，而是CPython解释器（Python的一个实现）的内部细节。因此，其他Python实现（如PyPy、Jython等）可能没有 LOAD_CLOSURE 这一操作码，或者实现闭包的方式可能不同。

LOAD_CLOSURE和LOAD_DEREF的区别

LOAD_CLOSURE 和 LOAD_DEREF 都是与Python（特别是CPython实现）中的闭包和自由变量相关的字节码指令，但它们在闭包构建和运行时具有不同的用途。

LOAD_CLOSURE

• 用途： 当你创建一个闭包（也就是说，一个内部函数引用了外部作用域中的一个或多个变量）时，LOAD_CLOSURE 被用于获取这些外部变量，也称为自由变量。
• 时机： 这个指令通常在闭包函数对象被创建时执行。
• 功能： 它将自由变量加载到闭包对象的环境中，以便稍后使用。

LOAD_DEREF

• 用途： 在闭包内部运行时，当需要访问自由变量时，使用 LOAD_DEREF 指令。
• 时机： 这个指令在闭包被调用并需要访问一个或多个自由变量时执行。
• 功能： 它从闭包对象的环境中取出自由变量，并将其值压入操作数栈顶，以便在闭包内部进行其他操作（例如，运算或函数调用）。

简单来说，LOAD_CLOSURE 在闭包创建时建立自由变量的环境，而 LOAD_DEREF 在闭包运行时从这个环境中读取自由变量。

例子

考虑以下代码：

def outer(x):def inner(y):return x + yreturn inner

在这里，inner 是一个闭包，它引用了外部（outer）的变量 x。

• 在 inner 被定义（即创建闭包）时，LOAD_CLOSURE 指令将用于捕获 x 的当前值或引用，并将其存储在闭包的环境中。
• 当 inner 被调用并执行 return x + y 时，LOAD_DEREF 指令用于从闭包的环境中获取 x 的值。

这样，即使 outer 的执行已经完成，inner 仍然可以访问 x 的值。这就是闭包如何“记住”其外部变量的环境的基本机制。

请注意，这些都是CPython的实现细节，并不是Python语言规范的一部分。其他Python实现可能有不同的方式来实现这些功能。

疑问

为什么在 inner 被定义（即创建闭包）时，LOAD_CLOSURE 指令捕获了 x，在调用并执行 return x + y 时，LOAD_DEREF 指令还要从闭包的环境中再获取一次 x 的值呢 ？

回答

在Python中创建和调用闭包时，LOAD_CLOSURE 和 LOAD_DEREF 的分离主要是为了满足两个不同阶段的需求：

创建闭包时的需求（LOAD_CLOSURE）

1. 环境捕获：闭包需要“捕获”它引用的自由变量的当前环境。这样即使外部函数（如 outer）的执行上下文已经消失，闭包仍然能够访问这些变量。

2. 存储状态：使用 LOAD_CLOSURE 指令，解释器将自由变量（如 x）与闭包（inner）关联，并存储在一个特殊的数据结构中，通常称为“单元”（cell）。

调用闭包时的需求（LOAD_DEREF）

1. 动态查找：当闭包（inner）被调用时，它可能需要基于最新的变量状态进行操作。使用 LOAD_DEREF，闭包可以动态地从其存储的环境中获取自由变量的当前值。

2. 运行时需求：闭包的执行逻辑可能依赖于这些自由变量，所以在运行时需要加载这些变量。LOAD_DEREF 指令从闭包的环境中取出这些变量，并将其值压入操作数栈以进行后续操作。

为什么需要两步？

简而言之，LOAD_CLOSURE 和 LOAD_DEREF 分离成两个步骤主要是为了灵活性和动态性。

• 灵活性：这种设计允许闭包在其创建之后的任何时间点被调用，而不管其外部环境是否还存在。这是通过在闭包创建时捕获和存储自由变量的环境来实现的。

• 动态性：Python是一种动态语言，这意味着在运行时可以进行很多操作，包括但不限于动态地改变变量的值。LOAD_DEREF 允许闭包在每次调用时都能够访问其自由变量的最新值。

这两个指令共同允许Python闭包在运行时保持对外部作用域（enclosing scope）变量的实时访问，同时也保留了这些变量的状态，即使它们的原始作用域已经不存在。