Python随笔（2）：连锁比较操作 Chained Comparisons
0. 前言
Python中的连锁比较操作（chained comparisons）是在其他语言中少有实现的特性之一，本文将对此特性展开一定研究。
本文中Python Interpreter版本：Python 3.8.0 (tags/v3.8.0:fa919fd, Oct 14 2019, 19:21:23) [MSC v.1916 32 bit (Intel)] on win32 （CPython）
1. 问题描述
代码片段如下：
def is_ascending_simple(a: int, b: int, c: int) -> bool:
return a < b and b < c
def is_ascending_chained(a: int, b: int, c: int) -> bool:
return a < b < c
print("is_ascending_simple(1, 2, 3): {}".format(is_ascending_simple(1, 2, 3)))
print("is_ascending_simple(1, 3, 2): {}".format(is_ascending_simple(1, 3, 2)))
print("is_ascending_chained(1, 2, 3): {}".format(is_ascending_chained(1, 2, 3)))
print("is_ascending_chained(1, 3, 2): {}".format(is_ascending_chained(1, 3, 2)))
在Python 3.8.0 shell中执行产生以下结果：
>>>
>>> def is_ascending_simple(a: int, b: int, c: int) -> bool:
... return a < b and b < c
...
>>>
>>> def is_ascending_chained(a: int, b: int, c: int) -> bool:
... return a < b < c
...
>>>
>>> print("is_ascending_simple(1, 2, 3): {}".format(is_ascending_simple(1, 2, 3)))
is_ascending_simple(1, 2, 3): True
>>> print("is_ascending_simple(1, 3, 2): {}".format(is_ascending_simple(1, 3, 2)))
is_ascending_simple(1, 3, 2): False
>>> print("is_ascending_chained(1, 2, 3): {}".format(is_ascending_chained(1, 2, 3)))
is_ascending_chained(1, 2, 3): True
>>> print("is_ascending_chained(1, 3, 2): {}".format(is_ascending_chained(1, 3, 2)))
is_ascending_chained(1, 3, 2): False
>>>
那么，表达式a < b and b < c是否与a < b < c等价？
2. 解决方案与讨论
Python 3.8 Reference 6.10. Comparisons一章对连锁比较操作进行了如下定义：
Comparisons can be chained arbitrarily, e.g.,
x < y <= zis equivalent tox < y and y <= z, except that y is evaluated only once (but in both caseszis not evaluated at all whenx < yis found to be false).Formally, if a, b, c, …, y, z are expressions and op1, op2, …, opN are comparison operators, then
a op1 b op2 c ... y opN zis equivalent toa op1 b and b op2 c and ... y opN z, except that each expression is evaluated at most once.
对该文段分析可以得到以下结论：
x < y <= z一类的连锁比较表达式通常情况下与x < y and y <= z等价；- 在由
a op1 b op2 c ... y opN z描述的一般性连锁表达式中，类似a至z的子表达式至多被求值（evaluate）一次； - 连锁表达式存在短路（short-circuiting）现象，且与Python 3.8 Reference 6.11. Boolean operations中的描述一致。
说人话（但并不normative）：连锁表达式可以按照a op1 b op2 c ... y opN z => a op1 b and b op2 c and ... y opN z的形式展开，但是每一个子表达式都最多被算一次。
下面我们用实例来分点研究定义中的描述。
2.1. 验证等价性
详见“1. 问题描述”一节。
2.2. 验证至多求值一次
代码：
# chaining-comp-2-2.py
def get_number_log(n: int) -> int:
"""
Return a number as is and log the requested number to terminal.
"""
print("get_number_log(n) called with n={}".format(n))
return n
print("Simple comp: {}".format(
get_number_log(1) < get_number_log(2)
and get_number_log(2) < get_number_log(3)
))
print("Chained comp: {}".format(
get_number_log(1) < get_number_log(2) < get_number_log(3)
))
结果：
PS > py -3 .\chaining-comp-2-2.py
get_number_log(n) called with n=1
get_number_log(n) called with n=2
get_number_log(n) called with n=2
get_number_log(n) called with n=3
Simple comp: True
get_number_log(n) called with n=1
get_number_log(n) called with n=2
get_number_log(n) called with n=3
Chained comp: True
PS >
原理：使用get_number_log()函数记录每一次表达式的求值情况。
结论：由两次表达式求值中对get_number_log()求值的次数差可知，原命题得证。
2.3. 验证短路性
2.3.1. 判断被短路表达式执行与否
代码：
# chaining-comp-2-3-1.py
class MyInt:
"""
A user-defined class similar to int.
Every self.__lt__() call is logged.
"""
def __init__(self, n: int):
self._n = n
def __lt__(self, another) -> bool:
print("MyInt.__lt__() called with self={} another={}".format(self._n, another._n))
return self._n < another._n
my_one = MyInt(1)
my_two = MyInt(2)
my_three = MyInt(3)
print("my_one < my_two < my_three: {}".format(
my_one < my_two < my_three
))
print("my_three < my_one < my_two: {}".format(
my_three < my_one < my_two
))
结果：
PS > py -3 .\chaining-comp-2-3-1.py
MyInt.__lt__() called with self=1 another=2
MyInt.__lt__() called with self=2 another=3
my_one < my_two < my_three: True
MyInt.__lt__() called with self=3 another=1
my_three < my_one < my_two: False
PS >
原理：使用自定义类和__lt__()特殊函数记录<表达式的求值情况。
结论：由第二次求值中MyInt.__lt__()仅被运行一次可见，原命题得证。
2.3.2. 判断表达式返回值
代码：
# chaining-comp-2-3-2.py
SENTRY = 999
SENTRY_RET_VAL = 1000
class MyInt:
"""
A user-defined class similar to int.
SENTRY_RET_VAL is returned when SENTRY is compared against any value.
"""
def __init__(self, n: int):
self._n = n
def __lt__(self, another):
return (SENTRY_RET_VAL
if another._n == SENTRY
else self._n < another._n
)
my_one = MyInt(1)
my_two = MyInt(2)
my_sentry = MyInt(SENTRY)
print("my_one < my_two < my_sentry: {}".format(
my_one < my_two < my_sentry
))
结果：
PS > py -3 .\chaining-comp-2-3-2.py
my_one < my_two < my_sentry: 1000
PS >
原理：通过与2.3.1.节中相同的方法自定义__lt__()特殊函数，在遇到第二操作数为SENTRY时，返回SENTRY_RET_VAL而不是正常的布尔值，以检测连锁比较操作是否会有Python 3.8 Reference 6.11. Boolean operations中描述的一般布尔操作行为。
结论：观察到SENTRY_RET_VAL被返回，原命题得证。
2.4. CPython字节码中的证据
CPython字节码（bytecode）是CPython对于已解析的Python源码（source）的一种的内部表示。CPython字节码的具体内容与CPython实现细节（CPython implementation detail）有关，故没有跨平台性。通过字节码，用户可以从执行的底层观察代码的解析情况。
Python内置电池中的dis模块（文档见此）允许用户在运行时检查已被解析的函数的字节码实现。
代码：
def is_ascending_simple(a: int, b: int, c: int) -> bool:
return a < b and b < c
def is_ascending_chained(a: int, b: int, c: int) -> bool:
return a < b < c
import dis
dis.dis(is_ascending_simple)
dis.dis(is_ascending_chained)
结果：
>>>
>>> def is_ascending_simple(a: int, b: int, c: int) -> bool:
... return a < b and b < c
...
>>>
>>> def is_ascending_chained(a: int, b: int, c: int) -> bool:
... return a < b < c
...
>>>
>>> import dis
>>> dis.dis(is_ascending_simple)
2 0 LOAD_FAST 0 (a)
2 LOAD_FAST 1 (b)
4 COMPARE_OP 0 (<)
6 JUMP_IF_FALSE_OR_POP 14
8 LOAD_FAST 1 (b)
10 LOAD_FAST 2 (c)
12 COMPARE_OP 0 (<)
>> 14 RETURN_VALUE
>>> dis.dis(is_ascending_chained)
2 0 LOAD_FAST 0 (a)
2 LOAD_FAST 1 (b)
4 DUP_TOP
6 ROT_THREE
8 COMPARE_OP 0 (<)
10 JUMP_IF_FALSE_OR_POP 18
12 LOAD_FAST 2 (c)
14 COMPARE_OP 0 (<)
16 RETURN_VALUE
>> 18 ROT_TWO
20 POP_TOP
22 RETURN_VALUE
>>>
is_ascending_simple()的字节码相对简单，不再赘述。下面将对is_ascending_chained()的运行栈情况进行简要分析。
以下分析抽象的格式如下：LineNo(("b" DescriptionOfBranch)|(["y""n"]))? ("Return("RetVal")")? ("Stack("StackDescription")")?
2 Stack(Bottom a b Top)
4 Stack(Bottom a b b Top)
6 Stack(Bottom b a b Top)
8 a<b?
8 Stack(Bottom b a<b Top)
10b Top is false?
10n Not taking JMP
10 Stack(Bottom b Top)
12 Stack(Bottom b c Top)
14 Stack(Bottom b<c Top)
16 Return(b<c)
10y Taking JMP
18 Stack(Bottom a<b b Top)
20 Stack(Bottom a<b Top)
22 Return(a<b)
提示：COMPARE_OP的功能是将栈顶的头两个元素弹出，再压入比较的结果。
对dis产生的具体指令详见文档。
结论：两函数在执行上等效。