python 内部执行原理

过程概述：

Python 先对脚本内容做词法和语法分析，然后把代码（.py）文件，交给字节码虚拟机，然后虚拟机一条一条执行字节码指令，从而完成程序的执行。

字节码

在python 虚拟机程序里对应的是PyCodeObject对象。.pyc文件是字节码在磁盘上的表现形式。

Pyc文件

PyCodeObject对象的创建时机是模块加载的时候，即import。

Pythontest.py会对test.py进行编译成字节码并解释执行，但是不会生成test.pyc。

如果test.py加载了其他模块，如import util，Python会对util.py进行编译成字节码，生成util.pyc，然后对字节码解释执行。

如果想生成test.pyc，我们可以使用Python内置模块py_compile来编译。

加载模块时，如果同时存在.py和.pyc，Python会尝试使用.pyc，如果.pyc的编译时间早于.py的修改时间，则重新编译.py并更新.pyc。

4. PyCodeObject
Python代码的编译结果就是PyCodeObject对象。
1. typedef struct {
2. PyObject_HEAD
3. int co_argcount; /* 位置参数个数 */
4. int co_nlocals; /* 局部变量个数 */
5. int co_stacksize; /* 栈大小 */
6. int co_flags;
7. PyObject *co_code; /* 字节码指令序列 */
8. PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */
9. PyObject *co_names; /* 所有符号名称集合 */
10. PyObject *co_varnames; /* 局部变量名称集合 */
11. PyObject *co_freevars; /* 闭包用的的变量名集合 */
12. PyObject *co_cellvars; /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */
13. /* The rest doesn’t count for hash/cmp */
14. PyObject *co_filename; /* 代码所在文件名 */
15. PyObject *co_name; /* 模块名|函数名|类名 */
16. int co_firstlineno; /* 代码块在文件中的起始行号 */
17. PyObject *co_lnotab; /* 字节码指令和行号的对应关系 */
18. void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */
19. } PyCodeObject;
20.5. pyc文件格式
21.
加载模块时，模块对应的PyCodeObject对象被写入.pyc文件，格式如下：





6.
分析字节码
6.1
解析PyCodeObject
Python提供了内置函数compile可以编译Python代码和查看PyCodeObject对象，如下：
Python代码[test.py]
1. s = ”hello”
2.
3. def func():
4. print s
5.
6. func()
在Python交互式shell里编译代码得到PyCodeObject对象:



dir(co)已经列出co的各个域，想查看某个域直接在终端输出即可：



test.py的PyCodeObject
1. co.co_argcount 0
2. co.co_nlocals 0
3. co.co_names (‘s’, ’func’)
4. co.co_varnames (‘s’, ’func’)
5. co.co_consts (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None)
6. co.co_code ’d\x00\x00Z\x00\x00d\x01\x00\x84\x00\x00Z\x01\x00e\x01\x00\x83\x00\x00\x01d\x02\x00S’
Python解释器会为函数也生成的字节码PyCodeObject对象，见上面的co_consts[1]
func的PyCodeObject
1. func.co_argcount 0
2. func.co_nlocals 0
3. func.co_names (‘s’,)
4. func.co_varnames ()
5. func.co_consts (None,)
6. func.co_code ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S’
co_code是指令序列，是一串二进制流，它的格式和解析方法见6.2。
6.2
解析指令序列
指令序列co_code的格式

opcode	oparg	opcode	opcode	oparg	…
1 byte	2 bytes	1 byte	1 byte	2 bytes

test.py的指令序列




func函数的指令序列




第一列表示以下几个指令在py文件中的行号;
第二列是该指令在指令序列co_code里的偏移量;
第三列是指令opcode的名称，分为有操作数和无操作数两种，opcode在指令序列中是一个字节的整数;
第四列是操作数oparg，在指令序列中占两个字节，基本都是co_consts或者co_names的下标;
第五列带括号的是操作数说明。
7.
执行字节码
Python虚拟机的原理就是模拟可执行程序再X86机器上的运行，X86的运行时栈帧如下图：



假如test.py用C语言来实现，会是下面这个样子：

1.  const char *s = “hello”;

2.

3.  void func() {

4.      printf(“%s\n”, s);

5.  }

6.

7.  int main() {

8.      func();

9.      return 0;

10. }

Python虚拟机的原理就是模拟上述行为。当发生函数调用时，创建新的栈帧，对应Python的实现就是PyFrameObject对象。
7.1 PyFrameObject

1.  typedef struct _frame {

2.   PyObject_VAR_HEAD 

3.      struct _frame *f_back;    /* 调用者的帧 */

4.      PyCodeObject *f_code;     /* 帧对应的字节码对象 */

5.      PyObject *f_builtins;     /* 内置名字空间 */

6.   PyObject *f_globals;      /* 全局名字空间 */ 

7.      PyObject *f_locals;       /* 本地名字空间 */

8.      PyObject **f_valuestack;  /* 运行时栈底 */

9.      PyObject **f_stacktop;    /* 运行时栈顶 */

10.     …….

11. }

那么对应Python的运行时栈就是这样子：



7.2
执行指令
执行test.py的字节码时，会先创建一个栈帧，以下用f表示当前栈帧，执行过程注释如下：
test.py的符号名集合和常量集合

1.  co.co_names   (‘s’, ’func’)

2.  co.co_consts  (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None)

test.py的指令序列



上面的CALL_FUNCTION指令执行时，会创建新的栈帧，并执行func的字节码指令，以下用f表示当前栈帧，func的字节码执行过程如下：
func函数的符号名集合和常量集合

1.  func.co_names       (‘s’,)

2.  func.co_consts      (None,)

func函数的指令序列




7.3
查看栈帧
如果你想查看当前栈帧，Python提供了sys._getframe()方法可以获取当前栈帧，你只需要在代码里加入代码如下：

1.  def func():

2.   import sys 

3.      frame = sys._getframe()

4.      print frame.f_locals

5.      print frame.f_globals

6.   print frame.f_back.f_locals 

7.      #你可以打印frame的各个域

8.      print s

简单来说就是下面的样子