python虛擬機(jī)運(yùn)行的原理是什么

python虛擬機(jī)運(yùn)行的原理是什么？很多新手對(duì)此不是很清楚，為了幫助大家解決這個(gè)難題，下面小編將為大家詳細(xì)講解，有這方面需求的人可以來(lái)學(xué)習(xí)下，希望你能有所收獲。

 一、過(guò)程概述

1、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)會(huì)從編譯得到的PyCodeObject對(duì)象中一條一條執(zhí)行字節(jié)碼指令，并在當(dāng)前的上下文環(huán)境中執(zhí)行這條字節(jié)碼指令，從而完成程序的執(zhí)行。Python虛擬機(jī)實(shí)際上是在模擬操作中執(zhí)行文件的過(guò)程。PyCodeObject對(duì)象中包含了字節(jié)碼指令以及程序的所有靜態(tài)信息，但沒(méi)有包含程序運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)信息——執(zhí)行環(huán)境（PyFrameObject）

2、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(pán)上的表現(xiàn)形式。

3、從整體上看：OS中執(zhí)行程序離不開(kāi)兩個(gè)概念：進(jìn)程和線程。python中模擬了這兩個(gè)概念，模擬進(jìn)程和線程的分別是PyInterpreterState和PyTreadState。即：每個(gè)PyThreadState都對(duì)應(yīng)著一個(gè)幀棧，python虛擬機(jī)在多個(gè)線程上切換。當(dāng)python虛擬機(jī)開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，它會(huì)先進(jìn)行一些初始化操作，最后進(jìn)入PyEval_EvalFramEx函數(shù)，它的作用是不斷讀取編譯好的字節(jié)碼，并一條一條執(zhí)行，類(lèi)似CPU執(zhí)行指令的過(guò)程。函數(shù)內(nèi)部主要是一個(gè)switch結(jié)構(gòu)，根據(jù)字節(jié)碼的不同執(zhí)行不同的代碼。

 二、關(guān)于.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。

1、執(zhí)行 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，但不會(huì)生成test.pyc
2、如果test.py中加載了其他模塊，如import urllib2，那么python會(huì)對(duì)urllib2.py進(jìn)行編譯成字節(jié)碼，生成urllib2.pyc，然后對(duì)字節(jié)碼解釋執(zhí)行。
3、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。
也可以執(zhí)行命令 python -m test.py 這樣，就生成了test.pyc
4、加載模塊時(shí)，如果同時(shí)存在.py和.pyc，python會(huì)使用.pyc運(yùn)行，如果.pyc的編譯時(shí)間早于.py的時(shí)間，則重新編譯.py，并更新.pyc文件。

三、關(guān)于PyCodeObject

Python代碼的編譯結(jié)果就是PyCodeObject對(duì)象，如下：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    int co_argcount;        /* 位置參數(shù)個(gè)數(shù) */
    int co_nlocals;         /* 局部變量個(gè)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(hào)名稱(chēng)集合 */
    PyObject *co_varnames;  /* 局部變量名稱(chēng)集合 */
    PyObject *co_freevars;  /* 閉包用的變量名集合 */
    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(lèi)名 */
    int co_firstlineno;     /* 代碼塊在文件中的起始行號(hào) */
    PyObject *co_lnotab;    /* 字節(jié)碼指令和行號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 */
    void *co_zombieframe;   /* for optimization only (see frameobject.c) */
} PyCodeObject;

 四、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

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：

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

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。

PyFrameObject對(duì)象創(chuàng)建程序運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)信息，即執(zhí)行環(huán)境，相關(guān)源碼大致如下：

typedef struct _frame{  
    PyObject_VAR_HEAD //"運(yùn)行時(shí)棧"的大小是不確定的  
    struct _frame *f_back; //執(zhí)行環(huán)境鏈上的前一個(gè)frame，很多個(gè)PyFrameObject連接起來(lái)形成執(zhí)行環(huán)境鏈表  
    PyCodeObject *f_code; //PyCodeObject 對(duì)象，這個(gè)frame就是這個(gè)PyCodeObject對(duì)象的上下文環(huán)境  
    PyObject *f_builtins; //builtin名字空間  
    PyObject *f_globals;  //global名字空間  
    PyObject *f_locals;   //local名字空間  
    PyObject **f_valuestack; //"運(yùn)行時(shí)棧"的棧底位置  
    PyObject **f_stacktop;   //"運(yùn)行時(shí)棧"的棧頂位置  
    //...  
    int f_lasti;  //上一條字節(jié)碼指令在f_code中的偏移位置  
    int f_lineno; //當(dāng)前字節(jié)碼對(duì)應(yīng)的源代碼行  
    //...  
      
    //動(dòng)態(tài)內(nèi)存，維護(hù)(局部變量+cell對(duì)象集合+free對(duì)象集合+運(yùn)行時(shí)棧)所需要的空間  
    PyObject *f_localsplus[1];    
} PyFrameObject;

每一個(gè) PyFrameObject對(duì)象都維護(hù)了一個(gè) PyCodeObject對(duì)象，這表明每一個(gè) PyFrameObject中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間對(duì)象都和源代碼中的一段Code相對(duì)應(yīng)。

看完上述內(nèi)容是否對(duì)您有幫助呢？如果還想對(duì)相關(guān)知識(shí)有進(jìn)一步的了解或閱讀更多相關(guān)文章，請(qǐng)關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝您對(duì)億速云的支持。