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@zakuroishikuro

Pythonで「a < b < c」と書けるのはどういう仕組みなのか調べたかった

$1 < 2 < 3$を表現するときに一般的なプログラミング言語では1 < 2 && 2 < 3と書く。

JavaScript等で1 < 2 < 3と書いても動いてるように見えるが間違い。
これは1 < 2が評価されてtrueになり、暗黙の型変換で1になり、1 < 3trueとなっているだけ。
なので、2 < 3 > 1などとキモく書くと1 > 1でfalseになる。

だけどPythonでは比較演算子をいくつでも連鎖できる。
1 < 2 < 3 も、 2 < 3 > 1 も、きちんとTrueになる。
これがどう動いてるのかずっと不思議だったので調べた。

動作確認: Python 3.6, macOS 10.13.3

disモジュール

disモジュールを使うと、Pythonのコードを逆アセンブルできる。
disassembleだからdisモジュール。

>>> from dis import dis
>>> dis("555 < 666 < 777 < 333")
  1           0 LOAD_CONST               0 (555)
              2 LOAD_CONST               1 (666)
              4 DUP_TOP
              6 ROT_THREE
              8 COMPARE_OP               0 (<)
             10 JUMP_IF_FALSE_OR_POP    28
             12 LOAD_CONST               2 (777)
             14 DUP_TOP
             16 ROT_THREE
             18 COMPARE_OP               0 (<)
             20 JUMP_IF_FALSE_OR_POP    28
             22 LOAD_CONST               3 (333)
             24 COMPARE_OP               0 (<)
             26 RETURN_VALUE
        >>   28 ROT_TWO
             30 POP_TOP
             32 RETURN_VALUE

普通は関数を渡すと思うけど今回は短いので文字列で渡した。

命令一覧

出てきた命令だけ公式ドキュメントから抜粋した。

バイトコード命令 説明
LOAD_CONST(consti) co_consts[consti] をスタックにプッシュします。
POP_TOP スタックの先頭 (TOS: Top Of Stack) の要素を取り除きます。
DUP_TOP スタックの先頭にある参照の複製を作ります。
ROT_TWO スタックの先頭の 2 つの要素を入れ替えます。
ROT_THREE スタックの二番目と三番目の要素の位置を 1 つ上げ、先頭を三番目へ下げます。
COMPARE_OP(opname) ブール命令を実行します。命令名は cmp_op[opname] にあります。
JUMP_IF_FALSE_OR_POP(target) TOS が偽ならば、バイトコードカウンタを target に設定し、TOS は スタックに残されます。
そうでない (TOS が真) なら、TOS はポップされます。
RETURN_VALUE 関数の呼び出し元へ TOS を返します。

スタックの動き

555 < 666 < 777 < 333のスタックの動きはこうなる。はず。
「先頭」はこの表では右。表記を合わせるためTOSも「先頭」とした。ゲシュタルト崩壊勘弁。

命令 スタック1 スタック2 スタック3 スタック4 説明
0 LOAD_CONST 0 (555) 555 - - - co_const[0](555)を積む
2 LOAD_CONST 1 (666) 555 666 - - co_const[1](666)を積む
4 DUP_TOP 555 666 666 - 先頭を複製
6 ROT_THREE 666 555 666 - 先頭3つの要素を入れ替え
8 COMPARE_OP 0 (<) 666 True - - 先頭2つを比較
10 JUMP_IF_FALSE_OR_POP 28 666 - - - 先頭がTrueなら除去、Falseなら28に飛ぶ
12 LOAD_CONST 2 (777) 666 777 - - co_const[2](777)を積む
14 DUP_TOP 666 777 777 - 先頭を複製
16 ROT_THREE 777 666 777 - 先頭3つの要素を入れ替え
18 COMPARE_OP 0 (<) 777 True - - 先頭2つを比較
20 JUMP_IF_FALSE_OR_POP 28 777 - - - 先頭がTrueなら除去、Falseなら28に飛ぶ
22 LOAD_CONST 3 (333) 777 333 - - co_const[3](333)を積む
24 COMPARE_OP 0 (<) False - - - 先頭2つを比較
26 RETURN_VALUE - - - - 先頭を返して終了
28 ROT_TWO - - - - 先頭2つを入れ替え
30 POP_TOP - - - - 先頭を除去
32 RETURN_VALUE - - - - 先頭を返して終了

比較演算子< <= > >= == != is is not in not inが連続してたら最後の2つになるまで数値同士を比較、途中でFalseになったらその時点で中断、最後の2つになったらそのTrue/Falseを返すようになってる。(ドキュメント通りだから当たり前)

何か調べたかったことと違う気がするけど探究心が枯れた

参考

How do chained comparisons in Python actually work?
Python 言語リファレンス > 4.3. 比較
Python 標準ライブラリ > 6.10. 比較
Python 標準ライブラリ > 32.12. dis — Python バイトコードの逆アセンブラ

CPythonの実装はこのへんのはず
cpython/compile.c #L2248-L2257

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