展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > Python字节码和程序执行过程的关系是什么?

Python字节码和程序执行过程的关系是什么?

问题:我们每天都要编写一些Python程序,或者用来处理一些文本,或者是做一些系统管理工作。程序写好后,只需要敲下python命令,便可将程序启动起来并开始执行:$pythonsome-program.py那么,一个文本形式的.py文件,是如何一步步转换为能够被CPU执行的机器指令的呢?此外,程序执行过程中可能会有.pyc文件生成,这些文件又有什么作用呢?1.执行过程虽然从行为上看Python更像Shell脚本这样的解释性语言,但实际上Python程序执行原理本质上跟Java或者C#一样,都可以归纳为虚拟

本文目录

    问题:

    我们每天都要编写一些Python程序,或者用来处理一些文本,或者是做一些系统管理工作。程序写好后,只需要敲下python命令,便可将程序启动起来并开始执行:

    $ python some-program.py

    那么,一个文本形式的.py文件,是如何一步步转换为能够被CPU执行的机器指令的呢?此外,程序执行过程中可能会有.pyc文件生成,这些文件又有什么作用呢?

    1. 执行过程

    虽然从行为上看Python更像Shell脚本这样的解释性语言,但实际上Python程序执行原理本质上跟Java或者C#一样,都可以归纳为虚拟机和字节码。Python执行程序分为两步:先将程序代码编译成字节码,然后启动虚拟机执行字节码:

    Python字节码和程序执行过程的关系是什么?

    虽然Python命令也叫做Python解释器,但跟其他脚本语言解释器有本质区别。实际上,Python解释器包含编译器以及虚拟机两部分。当Python解释器启动后,主要执行以下两个步骤:

    编译器将.py文件中的Python源码编译成字节码虚拟机逐行执行编译器生成的字节码

    因此,.py文件中的Python语句并没有直接转换成机器指令,而是转换成Python字节码。

    2. 字节码

    Python程序的编译结果是字节码,里面有很多关于Python运行的相关内容。因此,不管是为了更深入理解Python虚拟机运行机制,还是为了调优Python程序运行效率,字节码都是关键内容。那么,Python字节码到底长啥样呢?我们如何才能获得一个Python程序的字节码呢——Python提供了一个内置函数compile用于即时编译源码。我们只需将待编译源码作为参数调用compile函数,即可获得源码的编译结果。

    3. 源码编译

    下面,我们通过compile函数来编译一个程序:

    源码保存在demo.py文件中:

    PI = 3.14
    
    def circle_area(r):
        return PI * r ** 2
    
    class Person(object):
        def __init__(self, name):
            self.name = name
    
        def say(self):
            print('i am', self.name)

    编译之前需要将源码从文件中读取出来:

    >>> text = open('D:\myspace\code\pythonCode\mix\demo.py').read()
    >>> print(text)
    PI = 3.14
    
    def circle_area(r):
        return PI * r ** 2
    
    class Person(object):
        def __init__(self, name):
            self.name = name
    
        def say(self):
            print('i am', self.name)

    然后调用compile函数来编译源码:

    >>> result = compile(text,'D:\myspace\code\pythonCode\mix\demo.py', 'exec')

    compile函数必填的参数有3个:

    source:待编译源码

    filename:源码所在文件名

    mode:编译模式,exec表示将源码当作一个模块来编译

    三种编译模式:

    exec:用于编译模块源码

    single:用于编译一个单独的Python语句(交互式下)

    eval:用于编译一个eval表达式

    4. PyCodeObject

    通过compile函数,我们获得了最后的源码编译结果result:

    >>> result
     at 0x000001DEC2FCF680, file "D:\myspace\code\pythonCode\mix\demo.py", line 1>
    >>> result.__class__
    

    最终我们得到了一个code类型的对象,它对应的底层结构体是PyCodeObject

    PyCodeObject源码如下:

    /* Bytecode object */
    struct PyCodeObject {
        PyObject_HEAD
        int co_argcount;            /* #arguments, except *args */
        int co_posonlyargcount;     /* #positional only arguments */
        int co_kwonlyargcount;      /* #keyword only arguments */
        int co_nlocals;             /* #local variables */
        int co_stacksize;           /* #entries needed for evaluation stack */
        int co_flags;               /* CO_..., see below */
        int co_firstlineno;         /* first source line number */
        PyObject *co_code;          /* instruction opcodes */
        PyObject *co_consts;        /* list (constants used) */
        PyObject *co_names;         /* list of strings (names used) */
        PyObject *co_varnames;      /* tuple of strings (local variable names) */
        PyObject *co_freevars;      /* tuple of strings (free variable names) */
        PyObject *co_cellvars;      /* tuple of strings (cell variable names) */
        /* The rest aren't used in either hash or comparisons, except for co_name,
           used in both. This is done to preserve the name and line number
           for tracebacks and debuggers; otherwise, constant de-duplication
           would collapse identical functions/lambdas defined on different lines.
        */
        Py_ssize_t *co_cell2arg;    /* Maps cell vars which are arguments. */
        PyObject *co_filename;      /* unicode (where it was loaded from) */
        PyObject *co_name;          /* unicode (name, for reference) */
        PyObject *co_linetable;     /* string (encoding addr<->lineno mapping) See
                                       Objects/lnotab_notes.txt for details. */
        void *co_zombieframe;       /* for optimization only (see frameobject.c) */
        PyObject *co_weakreflist;   /* to support weakrefs to code objects */
        /* Scratch space for extra data relating to the code object.
           Type is a void* to keep the format private in codeobject.c to force
           people to go through the proper APIs. */
        void *co_extra;
    
        /* Per opcodes just-in-time cache
         *
         * To reduce cache size, we use indirect mapping from opcode index to
         * cache object:
         *   cache = co_opcache[co_opcache_map[next_instr - first_instr] - 1]
         */
    
        // co_opcache_map is indexed by (next_instr - first_instr).
        //  * 0 means there is no cache for this opcode.
        //  * n > 0 means there is cache in co_opcache[n-1].
        unsigned char *co_opcache_map;
        _PyOpcache *co_opcache;
        int co_opcache_flag;  // used to determine when create a cache.
        unsigned char co_opcache_size;  // length of co_opcache.
    };

    代码对象PyCodeObject用于存储编译结果,包括字节码以及代码涉及的常量、名字等等。关键字段包括:

    字段用途
    co_argcount参数个数
    co_kwonlyargcount关键字参数个数
    co_nlocals局部变量个数
    co_stacksize执行代码所需栈空间
    co_flags标识
    co_firstlineno代码块首行行号
    co_code指令操作码,即字节码
    co_consts常量列表
    co_names名字列表
    co_varnames局部变量名列表

    下面打印看一下这些字段对应的数据:

    通过co_code字段获得字节码:

    >>> result.co_code
    b'd\x00Z\x00d\x01d\x02\x84\x00Z\x01G\x00d\x03d\x04\x84\x00d\x04e\x02\x83\x03Z\x03d\x05S\x00'

    通过co_names字段获得代码对象涉及的所有名字:

    >>> result.co_names
    ('PI', 'circle_area', 'object', 'Person')

    通过co_consts字段获得代码对象涉及的所有常量:

    >>> result.co_consts
    (3.14, , 'circle_area', , 'Person', None)

    可以看到,常量列表中还有两个代码对象,其中一个是circle_area函数体,另一个是Person类定义体。对应Python中作用域的划分方式,可以自然联想到:每个作用域对应一个代码对象。如果这个假设成立,那么Person代码对象的常量列表中应该还包括两个代码对象:init函数体和say函数体。下面取出Person类代码对象来看一下:

    >>> person_code = result.co_consts[3]
    >>> person_code
    
    >>> person_code.co_consts
    ('Person', , 'Person.__init__', , 'Person.say', None)

    因此,我们得出结论:Python源码编译后,每个作用域都对应着一个代码对象,子作用域代码对象位于父作用域代码对象的常量列表里,层级一一对应。

    Python字节码和程序执行过程的关系是什么?

    至此,我们对Python源码的编译结果——代码对象PyCodeObject有了最基本的认识,后续会在虚拟机、函数机制、类机制中进一步学习。

    5. 反编译

    字节码是一串不可读的字节序列,跟二进制机器码一样。如果想读懂机器码,可以将其反汇编,那么字节码可以反编译吗?

    通过dis模块可以将字节码反编译:

    >>> import dis
    >>> dis.dis(result.co_code)
     0 LOAD_CONST               0 (0)
     2 STORE_NAME               0 (0)
     4 LOAD_CONST               1 (1)
     6 LOAD_CONST               2 (2)
     8 MAKE_FUNCTION            0
    10 STORE_NAME               1 (1)
    12 LOAD_BUILD_CLASS
    14 LOAD_CONST               3 (3)
    16 LOAD_CONST               4 (4)
    18 MAKE_FUNCTION            0
    20 LOAD_CONST               4 (4)
    22 LOAD_NAME                2 (2)
    24 CALL_FUNCTION            3
    26 STORE_NAME               3 (3)
    28 LOAD_CONST               5 (5)
    30 RETURN_VALUE

    字节码反编译后的结果和汇编语言很类似。其中,第一列是字节码的偏移量,第二列是指令,第三列是操作数。以第一条字节码为例,LOAD_CONST指令将常量加载进栈,常量下标由操作数给出,而下标为0的常量是:

    >>> result.co_consts[0]3.14

    这样,第一条字节码的意义就明确了:将常量3.14加载到栈。

    由于代码对象保存了字节码、常量、名字等上下文信息,因此直接对代码对象进行反编译可以得到更清晰的结果:

    >>>dis.dis(result)
      1           0 LOAD_CONST               0 (3.14)
                  2 STORE_NAME               0 (PI)
    
      3           4 LOAD_CONST               1 ()
                  6 LOAD_CONST               2 ('circle_area')
                  8 MAKE_FUNCTION            0
                 10 STORE_NAME               1 (circle_area)
    
      6          12 LOAD_BUILD_CLASS
                 14 LOAD_CONST               3 ()
                 16 LOAD_CONST               4 ('Person')
                 18 MAKE_FUNCTION            0
                 20 LOAD_CONST               4 ('Person')
                 22 LOAD_NAME                2 (object)
                 24 CALL_FUNCTION            3
                 26 STORE_NAME               3 (Person)
                 28 LOAD_CONST               5 (None)
                 30 RETURN_VALUE
    
    Disassembly of :
      4           0 LOAD_GLOBAL              0 (PI)
                  2 LOAD_FAST                0 (r)
                  4 LOAD_CONST               1 (2)
                  6 BINARY_POWER
                  8 BINARY_MULTIPLY
                 10 RETURN_VALUE
    
    Disassembly of :
      6           0 LOAD_NAME                0 (__name__)
                  2 STORE_NAME               1 (__module__)
                  4 LOAD_CONST               0 ('Person')
                  6 STORE_NAME               2 (__qualname__)
    
      7           8 LOAD_CONST               1 ()
                 10 LOAD_CONST               2 ('Person.__init__')
                 12 MAKE_FUNCTION            0
                 14 STORE_NAME               3 (__init__)
    
     10          16 LOAD_CONST               3 ()
                 18 LOAD_CONST               4 ('Person.say')
                 20 MAKE_FUNCTION            0
                 22 STORE_NAME               4 (say)
                 24 LOAD_CONST               5 (None)
                 26 RETURN_VALUE
    
    Disassembly of :
      8           0 LOAD_FAST                1 (name)
                  2 LOAD_FAST                0 (self)
                  4 STORE_ATTR               0 (name)
                  6 LOAD_CONST               0 (None)
                  8 RETURN_VALUE
    
    Disassembly of :
     11           0 LOAD_GLOBAL              0 (print)
                  2 LOAD_CONST               1 ('i am')
                  4 LOAD_FAST                0 (self)
                  6 LOAD_ATTR                1 (name)
                  8 CALL_FUNCTION            2
                 10 POP_TOP
                 12 LOAD_CONST               0 (None)
                 14 RETURN_VALUE

    操作数指定的常量或名字的实际值在旁边的括号内列出,此外,字节码以语句为单位进行了分组,中间以空行隔开,语句的行号在字节码前面给出。例如PI = 3.14这个语句就被会变成了两条字节码:

      1           0 LOAD_CONST               0 (3.14)
                  2 STORE_NAME               0 (PI)

    6. pyc

    如果将demo作为模块导入,Python将在demo.py文件所在目录下生成.pyc文件:

    >>> import demo

    Python字节码和程序执行过程的关系是什么?

    pyc文件会保存经过序列化处理的代码对象PyCodeObject。这样一来,Python后续导入demo模块时,直接读取pyc文件并反序列化即可得到代码对象,避免了重复编译导致的开销。只有demo.py有新修改(时间戳比.pyc文件新),Python才会重新编译。

    因此,对比Java而言:Python中的.py文件可以类比Java中的.java文件,都是源码文件;而.pyc文件可以类比.class文件,都是编译结果。只不过Java程序需要先用编译器javac命令来编译,再用虚拟机java命令来执行;而Python解释器把这两个过程都完成了。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    编程开发 Python
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirServer Windows版
    AirServer Windows版

    AirServer Windows版可把电脑变成AirPlay、Google Cast和Miracast无线投屏接收端,适合会议演示、课堂教学及家庭大屏分享。发送设备通常无需另装客户端,并可同时接收和智能排列多个镜像会话。