Python程序的執行原理

　　1. 過程概述

　　Python先把代碼(.py文件)編譯成字節碼，交給字節碼虛擬機，然後虛擬機一條一條執行字節碼指令，從而完成程序的執行。

　　2. 字節碼

　　字節碼在Python虛擬機程序裡對應的是PyCodeObject對象。

　　.pyc文件是字節碼在磁盤上的表現形式。

　　3. pyc文件

　　PyCodeObject對象的創建時機是模塊加載的時候，即import。

　　Python test.py會對test.py進行編譯成字節碼並解釋執行，但是不會生成test.pyc。

　　如果test.py加載了其他模塊，如import util，Python會對util.py進行編譯成字節碼，生成util.pyc，然後對字節碼解釋執行。

　　如果想生成test.pyc，我們可以使用Python內置模塊py_compile來編譯。

　　加載模塊時，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; /* 局部變量個數 */

　　int co_stacksize; /* 棧大小 */

　　int co_flags;

　　PyObject *co_code; /* 字節碼指令序列 */

　　PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */

　　PyObject *co_names; /* 所有符號名稱集合 */

　　PyObject *co_varnames; /* 局部變量名稱集合 */

　　PyObject *co_freevars; /* 閉包用的的變量名集合 */

　　PyObject *co_cellvars; /* 內部嵌套函數引用的變量名集合 */

　　/* The rest doesn’t count for hash/cmp */

　　PyObject *co_filename; /* 代碼所在文件名 */

　　PyObject *co_name; /* 模塊名|函數名|類名 */

　　int co_firstlineno; /* 代碼塊在文件中的起始行號 */

　　PyObject *co_lnotab; /* 字節碼指令和行號的對應關系 */

　　void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */

　　} PyCodeObject;

　　5. pyc文件格式

　　加載模塊時，模塊對應的PyCodeObject對象被寫入.pyc文件，格式如下：

　　6. 分析字節碼

　　6.1 解析PyCodeObject

　　Python提供了內置函數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()

　　在Python交互式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’, , None)

　　co.co_code ’dx00x00Zx00x00dx01x00x84x00x00Zx01x00ex01x00x83x00x00x01dx02x00S’

　　Python解釋器會為函數也生成的字節碼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 ‘tx00x00GHdx00x00S’

　　co_code是指令序列，是一串二進制流，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

　　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文件中的行號;

　　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，分為有操作數和無操作數兩種，opcode在指令序列中是一個字節的整數;

　　第四列是操作數oparg，在指令序列中占兩個字節，基本都是co_consts或者co_names的下標;

　　第五列帶括號的是操作數說明。

　　7. 執行字節碼

　　Python虛擬機的原理就是模擬可執行程序再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(“%sn”, s);

　　}

　　int main() {

　　func();

　　return 0;

　　}

　　Python虛擬機的原理就是模擬上述行為。當發生函數調用時，創建新的棧幀，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; /* 幀對應的字節碼對象 */

　　PyObject *f_builtins; /* 內置名字空間 */

　　PyObject *f_globals; /* 全局名字空間 */

　　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的字節碼時，會先創建一個棧幀，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)

　　test.py的指令序列

　　上面的CALL_FUNCTION指令執行時，會創建新的棧幀，並執行func的字節碼指令，以下用f表示當前棧幀，func的字節碼執行過程如下：

　　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()方法可以獲取當前棧幀，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

　　#你可以打印frame的各個域

　　print s