Python程序的执行原理(1)

2013-09-17 13:59 稿源:tech.uc.cn  0条评论

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。

  1. typedef struct { 
  2.     PyObject_HEAD 
  3.     int co_argcount;        /* 位置参数个数 */ 
  4.     int co_nlocals;         /* 局部变量个数 */ 
  5.     int co_stacksize;       /* 栈大小 */ 
  6.     int co_flags;    
  7.     PyObject *co_code;      /* 字节码指令序列 */ 
  8.     PyObject *co_consts;    /* 所有常量集合 */ 
  9.     PyObject *co_names;     /* 所有符号名称集合 */ 
  10.     PyObject *co_varnames;  /* 局部变量名称集合 */ 
  11.     PyObject *co_freevars;  /* 闭包用的的变量名集合 */ 
  12.     PyObject *co_cellvars;  /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */ 
  13.     /* The rest doesn’t count for hash/cmp */ 
  14.     PyObject *co_filename;  /* 代码所在文件名 */ 
  15.     PyObject *co_name;      /* 模块名|函数名|类名 */ 
  16.     int co_firstlineno;     /* 代码块在文件中的起始行号 */ 
  17.     PyObject *co_lnotab;    /* 字节码指令和行号的对应关系 */ 
  18.     void *co_zombieframe;   /* for optimization only (see frameobject.c) */ 
  19. } 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:

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. s = ”hello” 
  2.  
  3. def func(): 
  4.     print s 
  5.  
  6. func() 

在Python交互式shell里编译代码得到PyCodeObject对象:

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:

test.py的PyCodeObject

  1. co.co_argcount    0 
  2. co.co_nlocals     0 
  3. co.co_names       (‘s’, ’func’) 
  4. co.co_varnames    (‘s’, ’func’) 
  5. co.co_consts      (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None
  6. co.co_code        ’d\x00\x00Z\x00\x00d\x01\x00\x84\x00\x00Z\x01\x00e\x01\x00\x83\x00\x00\x01d\x02\x00S’ 

Python解释器会为函数也生成的字节码PyCodeObject对象,见上面的co_consts[1]

func的PyCodeObject

  1. func.co_argcount   0 
  2. func.co_nlocals    0 
  3. func.co_names      (‘s’,) 
  4. func.co_varnames   () 
  5. func.co_consts     (None,) 
  6. func.co_code       ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S’ 

co_code是指令序列,是一串二进制流,它的格式和解析方法见6.2。

6.2 解析指令序列

指令序列co_code的格式

opcodeopargopcodeopcodeoparg
1 byte 2 bytes 1 byte 1 byte 2 bytes  

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