为什么在Python中“not”比“bool()”快（或Python函数与语句的速度）？

Question

前几天我发现了一个有趣的现象。我在尝试不同的方法来判断一个对象的“真假值”（也就是它是否被认为是“真”），并测试每种方法的速度时，发现使用 not 要比使用 bool 快得多。

>>> bool([5, 6, 7])
True
>>> bool([])
False
>>> not not [5, 6, 7]
True
>>> not not []
False
>>> import timeit
>>> from numpy import mean
>>> mean(timeit.repeat('bool(a)', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.19072036743164061
>>> mean(timeit.repeat('bool(a)', 'a = []', repeat=10))
0.18562331199645996
>>> mean(timeit.repeat('not not a', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.072056698799133304
>>> mean(timeit.repeat('not not a', 'a = []', repeat=10))
0.073475956916809082
>>> mean(timeit.repeat('not a', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.043941426277160647
>>> mean(timeit.repeat('not a', 'a = []', repeat=10))
0.044287109375000001

我们可以看到，使用 bool 函数的速度明显比使用 not 语句慢，尽管它们最终做的事情是一样的（返回对象的布尔状态）。大家都知道在 Python 中，调用函数的开销是比较大的，但我没想到在这种情况下会有这么大的差异，原因有以下几点：

• bool() 是一个内置函数，这意味着它是用 C 语言写的，我本以为它的开销应该比较小。
• 在这两种情况下，Python 都需要在内部判断对象的“真假值”（我想它们在内部使用的是相同的 C 例程来完成这个判断）。
  • 实际上，not 需要返回对象“真假值”的逻辑相反值，所以理论上它的工作量要稍微多一些（但也许有某种实现细节可以绕过这个问题）。

在我看来，因为这两个函数基本上做的是同样的事情，所以所有额外的时间一定是来自于函数调用的开销。如果真是这样，那为什么一个语句能比一个函数避免这么多的开销呢？如果不是开销，那为什么 bool() 会比 not 慢这么多呢？

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更新：这里还有最小时间的数据，除了平均时间。

>>> min(timeit.repeat('bool(a)', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.18180489540100098
>>> min(timeit.repeat('bool(a)', 'a = []', repeat=10))
0.1821761131286621
>>> min(timeit.repeat('not not a', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.0707249641418457
>>> min(timeit.repeat('not not a', 'a = []', repeat=10))
0.07100605964660645
>>> min(timeit.repeat('not a', 'a = [5, 6, 7]', repeat=10))
0.04264092445373535
>>> min(timeit.repeat('not a', 'a = []', repeat=10))
0.04357004165649414

Answer 1

所有的函数调用都会有一定的开销——因为你需要创建一个新的栈帧来存放在这个函数里用到的新变量。

如果这个操作比较复杂或者耗时，那些开销就不那么明显了。但因为你现在讨论的是一个非常简单的操作，所以这些开销就显得特别突出。

Answer 2

（这不是答案，只是一些文档说明）：下面是给定表达式的字节码序列：

bool(a):

1           0 LOAD_NAME                0 (bool)
            3 LOAD_NAME                1 (a)
            6 CALL_FUNCTION            1 (1 positional, 0 keyword pair)
            9 RETURN_VALUE

not a:

1           0 LOAD_NAME                0 (a)
            3 UNARY_NOT
            4 RETURN_VALUE

not not a:

1           0 LOAD_NAME                0 (a)
            3 UNARY_NOT
            4 UNARY_NOT
            5 RETURN_VALUE