Python程序的执行原理
2016-03-29 21:50
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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。1234567891011121314151617181920 | typedef struct { PyObject_HEAD int co_argcount; /* 位置参数个数 */ int co_nlocals; /* 局部变量个数 */ int co_stacksize; /* 栈大小 */ int co_flags; PyObject *co_code; /* 字节码指令序列 */ PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */ PyObject *co_names; /* 所有符号名称集合 */ PyObject *co_varnames; /* 局部变量名称集合 */ PyObject *co_freevars; /* 闭包用的的变量名集合 */ PyObject *co_cellvars; /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */ /* The rest doesn’t count for hash/cmp */ PyObject *co_filename; /* 代码所在文件名 */ PyObject *co_name; /* 模块名|函数名|类名 */ int co_firstlineno; /* 代码块在文件中的起始行号 */ PyObject *co_lnotab; /* 字节码指令和行号的对应关系 */ void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */} PyCodeObject; |
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:![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/pycfmt.png)
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 2 3 4 5 6 7 | s = ”hello” def func(): s func() |
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/compile_py.png)
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:
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/print_co_fileds.png)
test.py的PyCodeObject
1234567 | co.co_argcount 0co.co_nlocals 0co.co_names (‘s’, ’func’)co.co_varnames (‘s’, ’func’)co.co_consts (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None)co.co_code ’d\x00\x00Z\x00\x00d\x01\x00\x84\x00\x00Z\x01\x00e\x01\x00\x83\x00\x00\x01d\x02\x00S’ |
1 2 3 4 5 6 7 | func.co_argcount 0 func.co_nlocals 0 func.co_names (‘s’,) func.co_varnames () func.co_consts (None,) func.co_code ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S’ |
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
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/dis_co1.png)
func函数的指令序列
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/dis_co2.png)
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:![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/x86frame.png)
假如test.py用C语言来实现,会是下面这个样子:
1234567891011 | const char *s = “hello”; void func() { printf(“%s\n”, s);} int main() { func(); return 0;} |
7.1 PyFrameObject
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | typedef struct _frame { PyObject_VAR_HEAD struct _frame *f_back; /* 调用者的帧 */ PyCodeObject *f_code; /* 帧对应的字节码对象 */ PyObject *f_builtins; /* 内置名字空间 */ PyObject *f_globals; /* 全局名字空间 */ PyObject *f_locals; /* 本地名字空间 */ PyObject **f_valuestack; /* 运行时栈底 */ PyObject **f_stacktop; /* 运行时栈顶 */ ……. } |
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/pyframe.png)
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
123 | co.co_names (‘s’, ’func’)co.co_consts (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None) |
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/testco_comment.png)
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 2 3 | func.co_names (‘s’,) func.co_consts (None,) |
![](http://tech.uc.cn/wp-content/uploads/2013/08/funcco_comment.png)
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 2 3 4 5 6 7 8 9 | def func(): import sys frame = sys._getframe() frame.f_locals frame.f_globals frame.f_back.f_locals #你可以打印frame的各个域 s |
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