1. 過程概述

Python先把代碼（.py文件）編譯成字節(jié)碼，交給字節(jié)碼虛擬機，然后虛擬機一條一條執(zhí)行字節(jié)碼指令，從而完成程序的執(zhí)行。

2. 字節(jié)碼

字節(jié)碼在Python虛擬機程序里對應的是PyCodeObject對象。
.pyc文件是字節(jié)碼在磁盤上的表現(xiàn)形式。

3. pyc文件

PyCodeObject對象的創(chuàng)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(jié)碼并解釋執(zhí)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(jié)碼，生成util.pyc，然后對字節(jié)碼解釋執(zhí)行。
如果想生成test.pyc，我們可以使用Python內(nèi)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的編譯時間早于.py的修改時間，則重新編譯.py并更新.pyc。

4. PyCodeObject

Python代碼的編譯結(jié)果就是PyCodeObject對象。

typedef struct { 
    PyObject_HEAD 
    int co_argcount;        /* 位置參數(shù)個數(shù) */ 
    int co_nlocals;         /* 局部變量個數(shù) */ 
    int co_stacksize;       /* 棧大小 */ 
    int co_flags;    
    PyObject *co_code;      /* 字節(jié)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(nèi)部嵌套函數(shù)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(shù)名|類名 */ 
    int co_firstlineno;     /* 代碼塊在文件中的起始行號 */ 
    PyObject *co_lnotab;    /* 字節(jié)碼指令和行號的對應關(guān)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(jié)碼

6.1 解析PyCodeObject

Python提供了內(nèi)置函數(shù)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里編譯代碼得到PyCodeObject對象:

dir(co)已經(jīng)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’, <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解釋器會為函數(shù)也生成的字節(jié)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       ‘t\x00\x00GHd\x00\x00S’ 

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(shù)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里的偏移量;

第三列是指令opcode的名稱，分為有操作數(shù)和無操作數(shù)兩種，opcode在指令序列中是一個字節(jié)的整數(shù);

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

第五列帶括號的是操作數(shù)說明。

7. 執(zhí)行字節(jié)碼

Python虛擬機的原理就是模擬可執(zhí)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(xiàn)，會是下面這個樣子：

const char *s = “hello”; 
 
void func() { 
    printf(“%s\n”, s); 
} 
 
int main() { 
    func(); 
    return 0; 
} 

Python虛擬機的原理就是模擬上述行為。當發(fā)生函數(shù)調(diào)用時，創(chuàng)建新的棧幀，對應Python的實現(xiàn)就是PyFrameObject對象。

7.1 PyFrameObject

typedef struct _frame { 
    PyObject_VAR_HEAD 
    struct _frame *f_back;    /* 調(diào)用者的幀 */ 
    PyCodeObject *f_code;     /* 幀對應的字節(jié)碼對象 */ 
    PyObject *f_builtins;     /* 內(nèi)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 */ 
    ……. 
} 

那么對應Python的運行時棧就是這樣子：

7.2 執(zhí)行指令

執(zhí)行test.py的字節(jié)碼時，會先創(chuàng)建一個棧幀，以下用f表示當前棧幀，執(zhí)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’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None) 

test.py的指令序列

上面的CALL_FUNCTION指令執(zhí)行時，會創(chuàng)建新的棧幀，并執(zhí)行func的字節(jié)碼指令，以下用f表示當前棧幀，func的字節(jié)碼執(zhí)行過程如下：

func函數(shù)的符號名集合和常量集合

func.co_names       (‘s’,) 
func.co_consts      (None,) 

func函數(shù)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，你只需要在代碼里加入代碼如下：

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   

原文鏈接：http://tech.uc.cn/?p=1932

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