Python程序的执行原理

Python程序的执行原理

目录Python2016年4月29日



1. 过程概述
Python先把代码（.py文件）编译成字节码，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。

2. 字节码
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。
3. pyc文件
PyCodeObject对象的创建时机是模块加载的时候，即import。
Python test.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。



5. pyc文件格式
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]



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



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



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

Python内置的dis模块可以解析co_code，如下图：
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：



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



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



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



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：



作者：李剑
链接：http://tech.uc.cn/?p=1932