每種編程語言為了表現出色，并且實現卓越的性能，都需要大量編譯器級的優化。

一種著名的優化技術是“常量折疊”（Constant Folding）：在編譯期間，編譯器會設法識別出常量表達式，對其進行求值，然后用求值的結果來替換表達式，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 是如何優雅地實現它。

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。

因此，上述表達式可以等效地被執行為：

>> > day_sec = 86400

Python 中的常量折疊

在 Python 中，我們可以使用反匯編模塊（Disassembler）獲取 CPython 字節碼，從而更好地了解代碼執行的過程。

當使用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 解釋器在解析和構建抽象語法樹期間，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

常量折疊的內部細節

現在，我們將重點轉移到內部的實現細節，即關注 CPython 在哪里以及如何實現常量折疊。

所有的 AST 優化（包括常量折疊）都可以在 ast_opt.c 文件中找到。基本的開始函數是 astfold_expr，它會折疊 Python 源碼中包含的所有表達式。

這個函數以遞歸方式遍歷 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。

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

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

fold_binop 函數返回計算后的常量值，如下面的代碼片段所示：

fold_binop 函數通過檢查當前運算符的種類，然后調用其相應的處理函數來折疊二值運算。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操作數調用 PyNumber_Add。

怎樣優雅？

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，而是調用相同的通用代碼。例如，在折疊時，它會調用通用的 PyNumber_Add 函數，跟執行常規的加法操作一樣。

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來處理常量折疊的需要。