Python程式

1. 過程概述

Python先把程式碼（.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物件。

.pyc檔案是位元組碼在磁碟上的表現形式。

3. pyc檔案

PyCodeObject物件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，但是不會生成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，生成util.pyc，然後對位元組碼解釋執行。

如果想生成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程式碼的編譯結果就是PyCodeObject物件。

typedef struct {   PyObject_HEAD   int co_argcount;    /* 位置引數個數 */  int co_nlocals;     /* 區域性變數個數 */  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; /* 區域性變數名稱集合 */  PyObject *co_freevars; /* 閉包用的的變數名集合 */  PyObject *co_cellvars; /* 內部巢狀函式引用的變數名集合 */  /* The rest doesn't count for hash/cmp */  PyObject *co_filename; /* 程式碼所在檔名 */  PyObject *co_name;   /* 模組名|函式名|類名 */  int co_firstlineno;   /* 程式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;    /* 位置引數個數 */  int co_nlocals;     /* 區域性變數個數 */  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; /* 區域性變數名稱集合 */  PyObject *co_freevars; /* 閉包用的的變數名集合 */  PyObject *co_cellvars; /* 內部巢狀函式引用的變數名集合 */  /* The rest doesn't count for hash/cmp */  PyObject *co_filename; /* 程式碼所在檔名 */  PyObject *co_name;   /* 模組名|函式名|類名 */  int co_firstlineno;   /* 程式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物件被寫入.pyc檔案

6. 分析位元組碼

6.1 解析PyCodeObject

Python提供了內建函式compile可以編譯Python程式碼和檢視PyCodeObject物件

Python程式碼[test.py]

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

在Python互動式shell裡編譯程式碼得到PyCodeObject物件:

dir(co)已經列出co的各個域，想檢視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直譯器會為函式也生成的位元組碼PyCodeObject物件，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' 

 codego.net

co_code是指令序列，是一串二進位制流，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，如下圖：

test.py的指令序列

func函式的指令序列

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裡的偏移量;

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;

第五列帶括號的是運算元說明。

7. 執行位元組碼

Python虛擬機器的原理就是模擬可執行程式再X86機器上的執行

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模擬上述行為。當發生函式呼叫時，建立新的棧幀，對應Python的實現就是PyFrameObject物件。

7.1 PyFrameObject

typedef struct _frame {   PyObject_VAR_HEAD   struct _frame *f_back;  /* 呼叫者的幀 */  PyCodeObject *f_code;   /* 幀對應的位元組碼物件 */  PyObject *f_builtins;   /* 內建名字空間 */  PyObject *f_globals;   /* 全域性名字空間 */  PyObject *f_locals;    /* 本地名字空間 */  PyObject **f_valuestack; /* 執行時棧底 */  PyObject **f_stacktop;  /* 執行時棧頂 */  ……. }    typedef struct _frame {   PyObject_VAR_HEAD   struct _frame *f_back;  /* 呼叫者的幀 */  PyCodeObject *f_code;   /* 幀對應的位元組碼物件 */  PyObject *f_builtins;   /* 內建名字空間 */  PyObject *f_globals;   /* 全域性名字空間 */  PyObject *f_locals;    /* 本地名字空間 */  PyObject **f_valuestack; /* 執行時棧底 */  PyObject **f_stacktop;  /* 執行時棧頂 */  ……. } 

那麼對應Python的執行時棧就是這樣子：

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，執行過程註釋如下：

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函式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函式的指令序列

7.3 檢視棧幀

如果你想檢視當前棧幀，Python提供了sys._getframe()方法可以獲取當前棧幀，你只需要在程式碼里加入程式碼如下：

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