Python程序的运作说明

　　学习Python这门程序语言的人，也一定要知道Python程序的执行原理是怎样的。本文将会详细介绍Python程序的执行原理，使初学者在脑海里对Python程序有相关概念。

      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。

　　

　　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]

　

　　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

　　

　　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

　　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

　　opcode oparg opcode opcode oparg …

　　1 byte2 bytes1 byte1 byte2 bytes

　　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

　　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：

　　

　　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

　

　　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

　

　　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：