初步探究Python程序的执行原理
作者:李剑 发布时间:2022-11-06 10:30:20
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。
typedef struct {
PyObject_HEAD
int co_argcount; /* 位置参数个数 */
int co_nlocals; /* 局部变量个数 */
int co_stacksize; /* 栈大小 */
int co_flags;
PyObject *co_code; /* 字节码指令序列 */
PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */
PyObject *co_names; /* 所有符号名称集合 */
PyObject *co_varnames; /* 局部变量名称集合 */
PyObject *co_freevars; /* 闭包用的的变量名集合 */
PyObject *co_cellvars; /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */
/* The rest doesn't count for hash/cmp */
PyObject *co_filename; /* 代码所在文件名 */
PyObject *co_name; /* 模块名|函数名|类名 */
int co_firstlineno; /* 代码块在文件中的起始行号 */
PyObject *co_lnotab; /* 字节码指令和行号的对应关系 */
void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */
} PyCodeObject;
typedef struct {
PyObject_HEAD
int co_argcount; /* 位置参数个数 */
int co_nlocals; /* 局部变量个数 */
int co_stacksize; /* 栈大小 */
int co_flags;
PyObject *co_code; /* 字节码指令序列 */
PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */
PyObject *co_names; /* 所有符号名称集合 */
PyObject *co_varnames; /* 局部变量名称集合 */
PyObject *co_freevars; /* 闭包用的的变量名集合 */
PyObject *co_cellvars; /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */
/* The rest doesn't count for hash/cmp */
PyObject *co_filename; /* 代码所在文件名 */
PyObject *co_name; /* 模块名|函数名|类名 */
int co_firstlineno; /* 代码块在文件中的起始行号 */
PyObject *co_lnotab; /* 字节码指令和行号的对应关系 */
void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */
} 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]
s = ”hello”
def func():
print s
func()
s = ”hello”
def func():
print s
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
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'
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
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'
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
Python内置的dis模块可以解析co_code,如下图:
test.py的指令序列
func函数的指令序列
第一列表示以下几个指令在py文件中的行号;
第二列是该指令在指令序列co_code里的偏移量;
第三列是指令opcode的名称,分为有操作数和无操作数两种,opcode在指令序列中是一个字节的整数;
第四列是操作数oparg,在指令序列中占两个字节,基本都是co_consts或者co_names的下标;
第五列带括号的是操作数说明。
7. 执行字节码
Python虚拟机的原理就是模拟可执行程序再X86机器上的运行,X86的运行时栈帧如下图:
假如test.py用C语言来实现,会是下面这个样子:
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虚拟机的原理就是模拟上述行为。当发生函数调用时,创建新的栈帧,对应Python的实现就是PyFrameObject对象。
7.1 PyFrameObject
typedef struct _frame {
PyObject_VAR_HEAD
struct _frame *f_back; /* 调用者的帧 */
PyCodeObject *f_code; /* 帧对应的字节码对象 */
PyObject *f_builtins; /* 内置名字空间 */
PyObject *f_globals; /* 全局名字空间 */
PyObject *f_locals; /* 本地名字空间 */
PyObject **f_valuestack; /* 运行时栈底 */
PyObject **f_stacktop; /* 运行时栈顶 */
…….
}
typedef struct _frame {
PyObject_VAR_HEAD
struct _frame *f_back; /* 调用者的帧 */
PyCodeObject *f_code; /* 帧对应的字节码对象 */
PyObject *f_builtins; /* 内置名字空间 */
PyObject *f_globals; /* 全局名字空间 */
PyObject *f_locals; /* 本地名字空间 */
PyObject **f_valuestack; /* 运行时栈底 */
PyObject **f_stacktop; /* 运行时栈顶 */
…….
}
那么对应Python的运行时栈就是这样子:
7.2 执行指令
执行test.py的字节码时,会先创建一个栈帧,以下用f表示当前栈帧,执行过程注释如下:
test.py的符号名集合和常量集合
co.co_names (‘s', 'func')
co.co_consts (‘hello', <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None)
co.co_names (‘s', 'func')
co.co_consts (‘hello', <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None)
test.py的指令序列
上面的CALL_FUNCTION指令执行时,会创建新的栈帧,并执行func的字节码指令,以下用f表示当前栈帧,func的字节码执行过程如下:
func函数的符号名集合和常量集合
func.co_names (‘s',)
func.co_consts (None,)
func.co_names (‘s',)
func.co_consts (None,)
func函数的指令序列
7.3 查看栈帧
如果你想查看当前栈帧,Python提供了sys._getframe()方法可以获取当前栈帧,你只需要在代码里加入代码如下:
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的各个域
print s
猜你喜欢
- 今天继续给大家介绍Python相关知识,本文主要内容是Python asyncio异步编程简单实现。一、asyncio事件循环简介async
- 序对于如何将py文件打包生成exe可执行文件最简单的应该我觉得就是使用pyinstaller第三方模块下面我就分为三个步骤给大家讲解如何使用
- 创建列表list( ) # 创造列表list(可迭代对象)# 将可迭代对象创造成列表切片索引:列表[a:b]切片索引赋值:列表[切片] =
- 嵌套SELECT语句也叫子查询,形如:SELECT name FROM bbc WHERE region = (SELECT region
- Python时间处理Python在处理与时间相关的操作时有两个重要模块:time和datetime。在本文中,我们介绍这两个模块并为每个场景
- Python 定义了类型转换函数以将一种数据类型直接转换为另一种数据类型,这在日常和竞争性编程中很有用。本文旨在提供有关某些转换函数的信息。
- 在Python中一切都是对象。Python中对象包含的三个基本要素,分别是:id(身份标识)、type(数据类型)和value(值)。对象之
- 表的故障检测和修正的一般过程如下:◆ 检查出错的表。如果该表检查通过,则完成任务,否则必须修复出错的数据库表。◆ 在开始修复之前对表文件进行
- 用法:DataFrame.drop(labels=None,axis=0, index=None, columns=None, inplac
- 本文实例讲述了js对象基础用法。分享给大家供大家参考。具体分析如下:js对象在本质上与数组相同,都是存放一组数据。但创建方法有所不同,对象需
- 目录前期准备界面编写截图功能实现OCR实现内容显示总结前期准备在这个阶段主要准备整个小程序的结构,既然要实现ocr,那么输入就是一张图片,而
- 可以采用exec方法注意:使exec不能返回一些变量的值,而且当前的变量值在exec的语句里无效。declare @tempStr
- 前言突然想起来之前讲SQL注入时忘记讲一下这个宽字节注入了,因为这个知识点还是挺重要的,所以本文就带大家了解一下宽字节注入的原理以及应用方法
- 茎叶图from itertools import groupbynums2=[225, 232,232,245,235,245,270,22
- 表查询: 合并查询:使用union关键字,可将满足条件的重复行去掉。 select ename,sal,job from emp where
- 一、何谓ASP缓存/为什么要缓存当你的web站点采用asp技术建立的初期,可能感觉到的是asp * 页技术带来的便利性,以及随意修改性、自如
- 下文要实现的可视化大屏内容:需要在地图上将我司船舶的轨迹展示出来。听起来很简单,一开始我也是这样想的。通过一些BI工具应该可以轻松实现,比如
- 网上大部分的免费asp程序使用的是access数据库。但是access数据库作为一个中小型的单机数据库系统,在承担访问量、数据量大的网站应用
- Python自动化测试-使用Pandas来高效处理测试数据一、思考1.Pandas是什么?功能极其强大的数据分析库可以高效地操作各种数据集c
- 今天继续学习Django,今天主要掌握两个小点一、如果为Django项目中引入静态文件1、先要在project目录下创建static的目录,