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作者：李劍

鏈接：http://tech.uc.cn/?p=1932

1. 過(guò)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(jī)，然后虛擬機(jī)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(jī)程序里對(duì)應(yīng)的是PyCodeObject對(duì)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(duì)象的創(chuàng)建時(shí)機(jī)是模塊加載的時(shí)候，即import。

Python test.py會(huì)對(duì)test.py進(jìn)行編譯成字節(jié)碼并解釋執(zhí)行，但是不會(huì)生成test.pyc。

如果test.py加載了其他模塊，如import util，Python會(huì)對(duì)util.py進(jìn)行編譯成字節(jié)碼，生成util.pyc，然后對(duì)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(lái)編譯。

加載模塊時(shí)，如果同時(shí)存在.py和.pyc，Python會(huì)嘗試使用.pyc，如果.pyc的編譯時(shí)間早于.py的修改時(shí)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(duì)象。

5. pyc文件格式

加載模塊時(shí)，模塊對(duì)應(yīng)的PyCodeObject對(duì)象被寫(xiě)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(duì)象，如下：

Python代碼[test.py]

在Python交互式shell里編譯代碼得到PyCodeObject對(duì)象:

dir(co)已經(jīng)列出co的各個(gè)域，想查看某個(gè)域直接在終端輸出即可：

test.py的PyCodeObject

Python解釋器會(huì)為函數(shù)也生成的字節(jié)碼PyCodeObject對(duì)象，見(jiàn)上面的co_consts[1]

func的PyCodeObject

co_code是指令序列，是一串二進(jìn)制流，它的格式和解析方法見(jiàn)6.2。

6.2 解析指令序列

指令序列co_code的格式

Python內(nèi)置的dis模塊可以解析co_code，如下圖：

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(gè)指令在py文件中的行號(hào);

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(wú)操作數(shù)兩種，opcode在指令序列中是一個(gè)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(gè)字節(jié)，基本都是co_consts或者co_names的下標(biāo);

第五列帶括號(hào)的是操作數(shù)說(shuō)明。

7. 執(zhí)行字節(jié)碼

Python虛擬機(jī)的原理就是模擬可執(zhí)行程序再X86機(jī)器上的運(yùn)行，X86的運(yùn)行時(shí)棧幀如下圖：

假如test.py用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，會(huì)是下面這個(gè)樣子：

Python虛擬機(jī)的原理就是模擬上述行為。當(dāng)發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，創(chuàng)建新的棧幀，對(duì)應(yīng)Python的實(shí)現(xiàn)就是PyFrameObject對(duì)象。

7.1 PyFrameObject

那么對(duì)應(yīng)Python的運(yùn)行時(shí)棧就是這樣子：

7.2 執(zhí)行指令

執(zhí)行test.py的字節(jié)碼時(shí)，會(huì)先創(chuàng)建一個(gè)棧幀，以下用f表示當(dāng)前棧幀，執(zhí)行過(guò)程注釋如下：

test.py的符號(hào)名集合和常量集合

test.py的指令序列

上面的CALL_FUNCTION指令執(zhí)行時(shí)，會(huì)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(dāng)前棧幀，func的字節(jié)碼執(zhí)行過(guò)程如下：

func函數(shù)的符號(hào)名集合和常量集合

func函數(shù)的指令序列

7.3 查看棧幀

如果你想查看當(dāng)前棧幀，Python提供了sys._getframe()方法可以獲取當(dāng)前棧幀，你只需要在代碼里加入代碼如下：

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