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    Python 字节码介绍

    时间:2019-08-10|栏目:Ubuntu|点击:
  • Python 字节码介绍

    了解 Python 字节码是什么,Python 如何使用它来执行你的代码,以及知道它是如何帮到你的。

    如果你曾经编写过 Python,或者只是使用过 Python,你或许经常会看到 Python 源代码文件——它们的名字以 .py 结尾。你可能还看到过其它类型的文件,比如以 .pyc 结尾的文件,或许你可能听说过它们就是 Python 的 “字节码bytecode” 文件。(在 Python 3 上这些可能不容易看到 —— 因为它们与你的 .py 文件不在同一个目录下,它们在一个叫 __pycache__ 的子目录中)或者你也听说过,这是节省时间的一种方法,它可以避免每次运行 Python 时去重新解析源代码。

    但是,除了 “噢,原来这就是 Python 字节码” 之外,你还知道这些文件能做什么吗?以及 Python 是如何使用它们的?

    如果你不知道,那你走运了!今天我将带你了解 Python 的字节码是什么,Python 如何使用它去运行你的代码,以及知道它是如何帮助你的。

    Python 如何工作

    Python 经常被介绍为它是一个解释型语言 —— 其中一个原因是在程序运行时,你的源代码被转换成 CPU 的原生指令 —— 但这样的看法只是部分正确。Python 与大多数解释型语言一样,确实是将源代码编译为一组虚拟机指令,并且 Python 解释器是针对相应的虚拟机实现的。这种中间格式被称为 “字节码”。

    因此,这些 .pyc 文件是 Python 悄悄留下的,是为了让它们运行的 “更快”,或者是针对你的源代码的 “优化” 版本;它们是你的程序在 Python 虚拟机上运行的字节码指令。

    我们来看一个示例。这里是用 Python 写的经典程序 “Hello, World!”:

    def hello()

        print("Hello, World!")

    下面是转换后的字节码(转换为人类可读的格式):

    20 LOAD_GLOBAL 0(print)

    2 LOAD_CONST 1('Hello, World!')

    4 CALL_FUNCTION 1

    如果你输入那个 hello() 函数,然后使用 CPython 解释器去运行它,那么上述列出的内容就是 Python 所运行的。它看起来可能有点奇怪,因此,我们来深入了解一下它都做了些什么。

    Python 虚拟机内幕

    CPython 使用一个基于栈的虚拟机。也就是说,它完全面向栈数据结构的(你可以 “推入” 一个东西到栈 “顶”,或者,从栈 “顶” 上 “弹出” 一个东西来)。

    CPython 使用三种类型的栈:

    调用栈call stack。这是运行 Python 程序的主要结构。它为每个当前活动的函数调用使用了一个东西 —— “帧frame”,栈底是程序的入口点。每个函数调用推送一个新的帧到调用栈,每当函数调用返回后,这个帧被销毁。

    在每个帧中,有一个计算栈evaluation stack (也称为数据栈data stack)。这个栈就是 Python 函数运行的地方,运行的 Python 代码大多数是由推入到这个栈中的东西组成的,操作它们,然后在返回后销毁它们。

    在每个帧中,还有一个块栈block stack。它被 Python 用于去跟踪某些类型的控制结构:循环、try / except 块、以及 with 块,全部推入到块栈中,当你退出这些控制结构时,块栈被销毁。这将帮助 Python 了解任意给定时刻哪个块是活动的,比如,一个 continue 或者 break 语句可能影响正确的块。

    大多数 Python 字节码指令操作的是当前调用栈帧的计算栈,虽然,还有一些指令可以做其它的事情(比如跳转到指定指令,或者操作块栈)。

    为了更好地理解,假设我们有一些调用函数的代码,比如这个:my_function(my_variable, 2)。Python 将转换为一系列字节码指令:

    一个 LOAD_NAME 指令去查找函数对象 my_function,然后将它推入到计算栈的顶部

    另一个 LOAD_NAME 指令去查找变量 my_variable,然后将它推入到计算栈的顶部

    一个 LOAD_CONST 指令去推入一个实整数值 2 到计算栈的顶部

    一个 CALL_FUNCTION 指令

    这个 CALL_FUNCTION 指令将有 2 个参数,它表示那个 Python 需要从栈顶弹出两个位置参数;然后函数将在它上面进行调用,并且它也同时被弹出(对于函数涉及的关键字参数,它使用另一个不同的指令 —— CALL_FUNCTION_KW,但使用的操作原则类似,以及第三个指令 —— CALL_FUNCTION_EX,它适用于函数调用涉及到参数使用 * 或 ** 操作符的情况)。一旦 Python 拥有了这些之后,它将在调用栈上分配一个新帧,填充到函数调用的本地变量上,然后,运行那个帧内的 my_function 字节码。运行完成后,这个帧将被调用栈销毁,而在最初的帧内,my_function 的返回值将被推入到计算栈的顶部。

    访问和理解 Python 字节码

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