Python 程序的运行原理

解释型语言,由Python解释器把源文件编译为pyc文件(字节码文件), 然后让Python虚拟机去运行字节码

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2.2 编译
执行 python demo.py 后,将会启动 Python 的解释器,然后将 demo.py 编译成一个字节码对象 PyCodeObject。

有的人可能会很好奇,编译的结果不应是 pyc 文件吗,就像 Java 的 class 文件,那为什么是一个对象呢,这里稍微解释一下。

在 Python 的世界中,一切都是对象,函数也是对象,类型也是对象,类也是对象(类属于自定义的类型,在 Python 2.2 之前,int, dict 这些内置类型与类是存在不同的,在之后才统一起来,全部继承自 object),甚至连编译出来的字节码也是对象,.pyc 文件是字节码对象(PyCodeObject)在硬盘上的表现形式。

在运行期间,编译结果也就是 PyCodeObject 对象,只会存在于内存中,而当这个模块的 Python 代码执行完后,就会将编译结果保存到了 pyc 文件中,这样下次就不用编译,直接加载到内存中。pyc 文件只是 PyCodeObject 对象在硬盘上的表现形式。

这个 PyCodeObject 对象包含了 Python 源代码中的字符串,常量值,以及通过语法解析后编译生成的字节码指令。PyCodeObject 对象还会存储这些字节码指令与原始代码行号的对应关系,这样当出现异常时,就能指明位于哪一行的代码。

2.3 pyc 文件
一个 pyc 文件包含了三部分信息:Python 的 magic number、pyc 文件创建的时间信息,以及 PyCodeObject 对象。

magic number 是 Python 定义的一个整数值。一般来说,不同版本的 Python 实现都会定义不同的 magic number,这个值是用来保证 Python 兼容性的。比如要限制由低版本编译的 pyc 文件不能让高版本的 Python 程序来执行,只需要检查 magic number 不同就可以了。由于不同版本的 Python 定义的字节码指令可能会不同,如果不做检查,执行的时候就可能出错。

下面所示的代码可以来创建 pyc 文件,使用方法

python generate_pyc.py module_name
例如

python generate_pyc.py demo
[generate_pyc.pyc]
import imp
import sys

def generate_pyc(name):
fp, pathname, description = imp.find_module(name)
try:
imp.load_module(name, fp, pathname, description)
finally:
if fp:
fp.close()

if name == 'main':
generate_pyc(sys.argv[1])
2.4 字节码指令
为什么 pyc 文件也称作字节码文件?因为这些文件存储的都是一些二进制的字节数据,而不是能让人直观查看的文本数据。

Python 标准库提供了用来生成代码对应字节码的工具 dis。dis 提供一个名为 dis 的方法,这个方法接收一个 code 对象,然后会输出 code 对象里的字节码指令信息。

s = open('demo.py').read()
co = compile(s, 'demo.py', 'exec')
import dis
dis.dis(co)
执行上面这段代码可以输出 demo.py 编译后的字节码指令

1 0 LOAD_CONST 0 (-1)
3 LOAD_CONST 1 (None)
6 IMPORT_NAME 0 (foo)
9 STORE_NAME 0 (foo)

3 12 LOAD_CONST 2 (1)
15 LOAD_CONST 3 (u'python')
18 BUILD_LIST 2
21 STORE_NAME 1 (a)

4 24 LOAD_CONST 4 (u'a string')
27 STORE_NAME 1 (a)

6 30 LOAD_CONST 5 (<code object func at 00D97650, file "demo.py", line 6>)
33 MAKE_FUNCTION 0
36 STORE_NAME 2 (func)

11 39 LOAD_NAME 1 (a)
42 PRINT_ITEM
43 PRINT_NEWLINE

13 44 LOAD_NAME 3 (name)
47 LOAD_CONST 6 (u'main')
50 COMPARE_OP 2 (==)
53 POP_JUMP_IF_FALSE 82

14 56 LOAD_NAME 2 (func)
59 CALL_FUNCTION 0
62 POP_TOP

15 63 LOAD_NAME 0 (foo)
66 LOAD_ATTR 4 (add)
69 LOAD_CONST 2 (1)
72 LOAD_CONST 7 (2)
75 CALL_FUNCTION 2
78 POP_TOP
79 JUMP_FORWARD 0 (to 82)
>> 82 LOAD_CONST 1 (None)
85 RETURN_VALUE
2.5 Python 虚拟机
demo.py 被编译后,接下来的工作就交由 Python 虚拟机来执行字节码指令了。Python 虚拟机会从编译得到的 PyCodeObject 对象中依次读入每一条字节码指令,并在当前的上下文环境中执行这条字节码指令。我们的程序就是通过这样循环往复的过程才得以执行。

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