Python中的三元运算符是如何实现的

Question

我了解条件表达式（或三元运算符）在 Python 中是惰性的。它们代表有条件的执行，而不是有条件的选择。换句话说，只有a 或b 之一在以下情况下被评估：

c = a if condition else b

我想知道的是如何这是在内部实现的。 Python 是否会转换为如下的if 语句，如果是，这种转换发生在什么阶段？

if condition:
    c = a
else:
    c = b

或者三元运算符实际上是一个独特的、独立的表达式，完全分开定义？如果是这样，我可以访问条件表达式的 CPython 代码吗？

我查看了以下解释三元运算符的什么，但没有一个说明如何它们是如何实现的：

• Does Python have a ternary conditional operator?
• Putting a simple if-then-else statement on one line
• python ? (conditional/ternary) operator for assignments
• Is there an equivalent of C’s ”?:” ternary operator?
• Conditional expressions

---

编辑：您可以假设 CPython 参考实现。

Answer 1

Python 不需要转换任何东西，如果它愿意也不能。

使用language grammar 将条件表达式解析为abstract syntax tree，然后将其编译为字节码。您可以使用 ast.parse() function 生成 AST：

>>> import ast
>>> ast.parse('c = a if condition else b').body[0]  # first statement in the tree
<_ast.Assign object at 0x10f05c550>
>>> ast.dump(ast.parse('c = a if condition else b').body[0])
"Assign(targets=[Name(id='c', ctx=Store())], value=IfExp(test=Name(id='condition', ctx=Load()), body=Name(id='a', ctx=Load()), orelse=Name(id='b', ctx=Load())))"

注意为分配生成的 AST 中的 ast.IfExp() 节点；这是条件表达式的专用节点。它有test、body 和orelse 部分来表示构成条件的3 个表达式，true 和false 部分。这记录在ast module Abstract Grammar section:

expr = [...]
     | [...]
     | IfExp(expr test, expr body, expr orelse)

这说明每个元素的类型是另一个expr表达式节点。

然后解析树被编译成字节码，使用栈根据测试条件跳转到正确的部分；我们可以将ast.parse()产生的AST直接传递给compile() function，然后dis module让我们看一下编译产生的对人类友好的字节码形式：

>>> import dis
>>> dis.dis(compile(ast.parse('c = a if condition else b'), '', 'exec'))
  1           0 LOAD_NAME                0 (condition)
              2 POP_JUMP_IF_FALSE        8
              4 LOAD_NAME                1 (a)
              6 JUMP_FORWARD             2 (to 10)
        >>    8 LOAD_NAME                2 (b)
        >>   10 STORE_NAME               3 (c)
             12 LOAD_CONST               0 (None)
             14 RETURN_VALUE

因此，如果条件为假，解释器循环向前跳转到指令 8，否则执行指令 4 和 6，指令 6 向前跳转到指令 10（因此通过 else 表达式）。最终结果是指令 4 或指令 8 将新结果放在堆栈顶部，以便 STORE_NAME 移动到变量中。

if 语句会产生不同的 AST 节点，而产生的字节码 恰好 非常相似，因为它也会使用跳转。但是编译器将它们视为不同的语法片段，并且它必须这样做。

表达式和语句是编程语言的两个非常不同的基本构建块。语句可以包含表达式，但表达式不能包含语句，只能包含其他表达式。表达式可以产生一个值（供周围的语法使用），但语句不能。因此，Python 必须以非常不同于语句的方式处理条件表达式，因为语法解析器知道何时期望语句以及何时允许表达式。如果将条件表达式转换为语句，则永远无法将这样的表达式用作更大表达式的一部分！

因为if 语句不是表达式，它不返回值（因为只有表达式才能产生值），因此生成的字节码不会在堆栈顶部生成值以供周围的 Python 代码使用（没有c = if condition : ...）。 if 语句包含一个 条件表达式 和一个 suite，它必须始终包含更多语句（有一个“表达式语句”之类的东西可以让你放只是语句中的一个表达式，例如单行上的1 + 1），这些语句可以“做一些事情”，比如赋值或从函数返回，但它们所做的任何事情都不会让if 返回一些东西。

这反映在 if 语句的 AST 节点定义中：

stmt =  [...]
      | [...]
      | If(expr test, stmt* body, stmt* orelse)

所以对于If 节点，test 是唯一的表达式节点，body 和orelse 都由零个或多个 语句组成。 orelse 部分将持有任何elif ...: 测试作为进一步的If() 节点，或任何其他类型的语句以形成无条件的else:。对于零个或多个元素，您不能期望一个结果。

所以这不是 CPython 独有的，它适用于所有 Python 实现。 Python 语法 不是实现细节。

Answer 2

Python 是否会转换为如下的 if 语句

差不多了。

import dis

def trenary():
    x = 'a' if 1 == 1 else 'b'

def normal_if():
    if 1 == 1:
        c = 'a'
    else:
        c = 'b'

print('trenary')
dis.dis(trenary)
print()
print('normal if')
dis.dis(normal_if)

这个输出：

trenary
 68           0 LOAD_CONST               1 (1)
              2 LOAD_CONST               1 (1)
              4 COMPARE_OP               2 (==)
              6 POP_JUMP_IF_FALSE       12
              8 LOAD_CONST               2 ('a')
             10 JUMP_FORWARD             2 (to 14)
        >>   12 LOAD_CONST               3 ('b')
        >>   14 STORE_FAST               0 (x)
             16 LOAD_CONST               0 (None)
             18 RETURN_VALUE

normal if
 71           0 LOAD_CONST               1 (1)
              2 LOAD_CONST               1 (1)
              4 COMPARE_OP               2 (==)
              6 POP_JUMP_IF_FALSE       14

 72           8 LOAD_CONST               2 ('a')
             10 STORE_FAST               0 (c)
             12 JUMP_FORWARD             4 (to 18)

 74     >>   14 LOAD_CONST               3 ('b')
             16 STORE_FAST               0 (c)
        >>   18 LOAD_CONST               0 (None)
             20 RETURN_VALUE

这些看起来几乎相同，除了JUMP_FORWARD 的位置和@L3viathan 指出的另外一个STORE_FAST。

我们也得到几乎相同的执行时间（差异可以忽略不计）：

from timeit import Timer

print(min(Timer(trenary).repeat(5000, 5000)))
print(min(Timer(normal_if).repeat(5000, 5000)))
# 0.0006442809999998023
# 0.0006442799999994975

至于何时发生这种转换，我会假设在“编译”为字节码期间的某个时间。

Answer 3

什么

如果您要问什么，那么为了更好地理解它，您需要了解功能性和程序性之间的区别。一种可以转换为另一种，但两者都可以独立查看，您无需将一种翻译为另一种即可理解它们。

value_a if condition else value_b 具有功能性，并返回值 value_a 或 value_b。

if condition then:
   do_a
else:
   do_b

是程序性的，它是do_a 或do_b。

注意：程序是关于做，做这个，然后做那个，或者那个。功能就是价值，是这样还是那样。

如何

如果您要问如何，那么您需要查看其中一种实现的源代码。请注意，只要行为正确，每个实现不必采用相同的方式。