Python程式執行原理+__Python

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;

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

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 s func()

1 2 3 4 5 6 7

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 0 co.co_nlocals 0 co.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

co . co _argcount      0 co . co _nlocals      0 co . 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’

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

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

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

Python內建的dis模組可以解析co_code，如下圖：

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的運行時棧幀如下圖：

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; }

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

const char * s = “ hello” ;   void