Python程序的执行原理(1)

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。

1. typedef struct { 
2.     PyObject_HEAD 
3.     int co_argcount;        /* 位置参数个数 */ 
4.     int co_nlocals;         /* 局部变量个数 */ 
5.     int co_stacksize;       /* 栈大小 */ 
6.     int co_flags;    
7.     PyObject *co_code;      /* 字节码指令序列 */ 
8.     PyObject *co_consts;    /* 所有常量集合 */ 
9.     PyObject *co_names;     /* 所有符号名称集合 */ 
10.     PyObject *co_varnames;  /* 局部变量名称集合 */ 
11.     PyObject *co_freevars;  /* 闭包用的的变量名集合 */ 
12.     PyObject *co_cellvars;  /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */ 
13.     /* The rest doesn’t count for hash/cmp */ 
14.     PyObject *co_filename;  /* 代码所在文件名 */ 
15.     PyObject *co_name;      /* 模块名|函数名|类名 */ 
16.     int co_firstlineno;     /* 代码块在文件中的起始行号 */ 
17.     PyObject *co_lnotab;    /* 字节码指令和行号的对应关系 */ 
18.     void *co_zombieframe;   /* for optimization only (see frameobject.c) */ 
19. } 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]

1. s = ”hello” 
2.  
3. def func(): 
4.     print s 
5.  
6. 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

1. co.co_argcount    0 
2. co.co_nlocals     0 
3. co.co_names       (‘s’, ’func’) 
4. co.co_varnames    (‘s’, ’func’) 
5. co.co_consts      (‘hello’, <code object func at 0x2aaeeec57110, file ”test.py”, line 3>, None) 
6. 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

1. func.co_argcount   0 
2. func.co_nlocals    0 
3. func.co_names      (‘s’,) 
4. func.co_varnames   () 
5. func.co_consts     (None,) 
6. 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