初步探究Python程式的執行原理

1. 過程概述

Python先把代碼（.py檔案）編譯成位元組碼，交給位元組碼虛擬機器，然後虛擬機器一條一條執行位元組碼指令，從而完成程式的執行。
2. 位元組碼

位元組碼在Python虛擬機器程式裡對應的是PyCodeObject對象。
.pyc檔案是位元組碼在磁碟上的表現形式。
3. pyc檔案

PyCodeObject對象的建立時機是模組載入的時候，即import。
Python test.py會對test.py進行編譯成位元組碼並解釋執行，但是不會產生test.pyc。
如果test.py載入了其他模組，如import util，Python會對util.py進行編譯成位元組碼，產生util.pyc，然後對位元組碼解釋執行。
如果想產生test.pyc，我們可以使用Python內建模組py_compile來編譯。
載入模組時，如果同時存在.py和.pyc，Python會嘗試使用.pyc，如果.pyc的編譯時間早於.py的修改時間，則重新編譯.py並更新.pyc。
4. PyCodeObject

Python代碼的編譯結果就是PyCodeObject對象。

typedef struct {  PyObject_HEAD  int co_argcount;    /* 位置參數個數 */  int co_nlocals;     /* 局部變數個數 */  int co_stacksize;    /* 棧大小 */  int co_flags;    PyObject *co_code;   /* 位元組碼指令序列 */  PyObject *co_consts;  /* 所有常量集合 */  PyObject *co_names;   /* 所有符號名稱集合 */  PyObject *co_varnames; /* 局部變數名稱集合 */  PyObject *co_freevars; /* 閉包用的的變數名集合 */  PyObject *co_cellvars; /* 內部嵌套函數引用的變數名集合 */  /* The rest doesn't count for hash/cmp */  PyObject *co_filename; /* 代碼所在檔案名稱 */  PyObject *co_name;   /* 模組名|函數名|類名 */  int co_firstlineno;   /* 代碼塊在檔案中的起始行號 */  PyObject *co_lnotab;  /* 位元組碼指令和行號的對應關係 */  void *co_zombieframe;  /* for optimization only (see frameobject.c) */} PyCodeObject; typedef struct {  PyObject_HEAD  int co_argcount;    /* 位置參數個數 */  int co_nlocals;     /* 局部變數個數 */  int co_stacksize;    /* 棧大小 */  int co_flags;    PyObject *co_code;   /* 位元組碼指令序列 */  PyObject *co_consts;  /* 所有常量集合 */  PyObject *co_names;   /* 所有符號名稱集合 */  PyObject *co_varnames; /* 局部變數名稱集合 */  PyObject *co_freevars; /* 閉包用的的變數名集合 */  PyObject *co_cellvars; /* 內部嵌套函數引用的變數名集合 */  /* The rest doesn't count for hash/cmp */  PyObject *co_filename; /* 代碼所在檔案名稱 */  PyObject *co_name;   /* 模組名|函數名|類名 */  int co_firstlineno;   /* 代碼塊在檔案中的起始行號 */  PyObject *co_lnotab;  /* 位元組碼指令和行號的對應關係 */  void *co_zombieframe;  /* for optimization only (see frameobject.c) */} PyCodeObject; 

5. pyc檔案格式

載入模組時，模組對應的PyCodeObject對象被寫入.pyc檔案，格式如下：

6. 分析位元組碼
6.1 解析PyCodeObject

Python提供了內建函數compile可以編譯Python代碼和查看PyCodeObject對象，如下：

Python代碼[test.py]

s = ”hello”def func():  print sfunc() s = ”hello” def func():  print s func()

在Python互動式shell裡編譯代碼得到PyCodeObject對象:

dir(co)已經列出co的各個域，想查看某個域直接在終端輸出即可：

test.py的PyCodeObject

co.co_argcount  0co.co_nlocals   0co.co_names    (‘s', 'func')co.co_varnames  (‘s', 'func')co.co_consts   (‘hello', , None)co.co_code    'd\x00\x00Z\x00\x00d\x01\x00\x84\x00\x00Z\x01\x00e\x01\x00\x83\x00\x00\x01d\x02\x00S' co.co_argcount  0co.co_nlocals   0co.co_names    (‘s', 'func')co.co_varnames  (‘s', 'func')co.co_consts   (‘hello', , None)co.co_code 'd\x00\x00Z\x00\x00d\x01\x00\x84\x00\x00Z\x01\x00e\x01\x00\x83\x00\x00\x01d\x02\x00S'

Python解譯器會為函數也產生的位元組碼PyCodeObject對象，見上面的co_consts[1]

func的PyCodeObject

func.co_argcount 0func.co_nlocals 0func.co_names (‘s',)func.co_varnames ()func.co_consts (None,)func.co_code ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S' func.co_argcount 0func.co_nlocals 0func.co_names (‘s',)func.co_varnames ()func.co_consts (None,)func.co_code ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S'

co_code是指令序列，是一串二進位流，它的格式和解析方法見6.2。
6.2 解析指令序列

指令序列co_code的格式


Python內建的dis模組可以解析co_code，如：

test.py的指令序列


func函數的指令序列


第一列表示以下幾個指令在py檔案中的行號;
第二列是該指令在指令序列co_code裡的位移量;
第三列是指令opcode的名稱，分為有運算元和無運算元兩種，opcode在指令序列中是一個位元組的整數;
第四列是運算元oparg，在指令序列中佔兩個位元組，基本都是co_consts或者co_names的下標;
第五列帶括弧的是運算元說明。
7. 執行位元組碼

Python虛擬機器的原理就是類比可執行程式再X86機器上的運行，X86的運行時棧幀如：


假如test.py用C語言來實現，會是下面這個樣子：

const char *s = “hello”;void func() { printf(“%s\n”, s);}int main() { func(); return 0;} const char *s = “hello”; void func() { printf(“%s\n”, s);} int main() { func(); return 0;}

Python虛擬機器的原理就是類比上述行為。當發生函數調用時，建立新的棧幀，對應Python的實現就是PyFrameObject對象。
7.1 PyFrameObject

typedef struct _frame { PyObject_VAR_HEAD struct _frame *f_back; /* 調用者的幀 */ PyCodeObject *f_code; /* 幀對應的位元組碼對象 */ PyObject *f_builtins; /* 內建名字空間 */ PyObject *f_globals; /* 全域名字空間 */ PyObject *f_locals; /* 本地名字空間 */ PyObject **f_valuestack; /* 運行時棧底 */ PyObject **f_stacktop; /* 運行時棧頂 */ …….} typedef struct _frame { PyObject_VAR_HEAD struct _frame *f_back; /* 調用者的幀 */ PyCodeObject *f_code; /* 幀對應的位元組碼對象 */ PyObject *f_builtins; /* 內建名字空間 */ PyObject *f_globals; /* 全域名字空間 */ PyObject *f_locals; /* 本地名字空間 */ PyObject **f_valuestack; /* 運行時棧底 */ PyObject **f_stacktop; /* 運行時棧頂 */ …….}

那麼對應Python的運行時棧就是這樣子：


7.2 執行指令

執行test.py的位元組碼時，會先建立一個棧幀，以下用f表示當前棧幀，執行過程注釋如下：

test.py的符號名集合和常量集合

co.co_names (‘s', 'func')co.co_consts (‘hello', , None) co.co_names (‘s', 'func')co.co_consts (‘hello', , None)

test.py的指令序列

上面的CALL_FUNCTION指令執行時，會建立新的棧幀，並執行func的位元組碼指令，以下用f表示當前棧幀，func的位元組碼執行過程如下：

func函數的符號名集合和常量集合

func.co_names (‘s',)func.co_consts (None,) func.co_names (‘s',)func.co_consts (None,) 

func函數的指令序列


7.3 查看棧幀

如果你想查看當前棧幀，Python提供了sys._getframe()方法可以擷取當前棧幀，你只需要在代碼裡加入代碼如下：

def func(): import sys frame = sys._getframe() print frame.f_locals print frame.f_globals print frame.f_back.f_locals #你可以列印frame的各個域 print s 

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