python虛擬機運行的原理是什么

python虛擬機運行的原理是什么？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

 一、過程概述

1、python先把代碼(.py文件)編譯成字節碼，交給字節碼虛擬機，然后虛擬機會從編譯得到的PyCodeObject對象中一條一條執行字節碼指令，并在當前的上下文環境中執行這條字節碼指令，從而完成程序的執行。Python虛擬機實際上是在模擬操作中執行文件的過程。PyCodeObject對象中包含了字節碼指令以及程序的所有靜態信息，但沒有包含程序運行時的動態信息——執行環境（PyFrameObject）

2、字節碼在python虛擬機程序里對應的是PyCodeObject對象；.pyc文件是字節碼在磁盤上的表現形式。

3、從整體上看：OS中執行程序離不開兩個概念：進程和線程。python中模擬了這兩個概念，模擬進程和線程的分別是PyInterpreterState和PyTreadState。即：每個PyThreadState都對應著一個幀棧，python虛擬機在多個線程上切換。當python虛擬機開始執行時，它會先進行一些初始化操作，最后進入PyEval_EvalFramEx函數，它的作用是不斷讀取編譯好的字節碼，并一條一條執行，類似CPU執行指令的過程。函數內部主要是一個switch結構，根據字節碼的不同執行不同的代碼。

 二、關于.pyc文件

PyCodeObject對象的創建時機是模塊加載的時候，即import。

1、執行 python test.py 會對test.py進行編譯成字節碼并解釋執行，但不會生成test.pyc
2、如果test.py中加載了其他模塊，如import urllib2，那么python會對urllib2.py進行編譯成字節碼，生成urllib2.pyc，然后對字節碼解釋執行。
3、如果想生成test.pyc，我們可以使用python內置模塊py_compile來編譯。
也可以執行命令 python -m test.py 這樣，就生成了test.pyc
4、加載模塊時，如果同時存在.py和.pyc，python會使用.pyc運行，如果.pyc的編譯時間早于.py的時間，則重新編譯.py，并更新.pyc文件。

三、關于PyCodeObject

Python代碼的編譯結果就是PyCodeObject對象，如下：

typedef struct {
    PyObject_HEAD
    int co_argcount;        /* 位置參數個數 */
    int co_nlocals;         /* 局部變量個數 */
    int co_stacksize;       /* 棧大小 */
    int co_flags;   
    PyObject *co_code;      /* 字節碼指令序列 */
    PyObject *co_consts;    /* 所有常量集合 */
    PyObject *co_names;     /* 所有符號名稱集合 */
    PyObject *co_varnames;  /* 局部變量名稱集合 */
    PyObject *co_freevars;  /* 閉包用的變量名集合 */
    PyObject *co_cellvars;  /* 內部嵌套函數引用的變量名集合 */
    /* The rest doesn’t count for hash/cmp */
    PyObject *co_filename;  /* 代碼所在文件名 */
    PyObject *co_name;      /* 模塊名|函數名|類名 */
    int co_firstlineno;     /* 代碼塊在文件中的起始行號 */
    PyObject *co_lnotab;    /* 字節碼指令和行號的對應關系 */
    void *co_zombieframe;   /* for optimization only (see frameobject.c) */
} PyCodeObject;

 四、執行字節碼

Python虛擬機的原理就是模擬可執行程序再X86機器上的運行

假如test.py用C語言來實現，會是下面這個樣子：

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

Python虛擬機的原理就是模擬上述行為。當發生函數調用時，創建新的棧幀，對應Python的實現就是PyFrameObject對象。

PyFrameObject對象創建程序運行時的動態信息，即執行環境，相關源碼大致如下：

typedef struct _frame{  
    PyObject_VAR_HEAD //"運行時棧"的大小是不確定的  
    struct _frame *f_back; //執行環境鏈上的前一個frame，很多個PyFrameObject連接起來形成執行環境鏈表  
    PyCodeObject *f_code; //PyCodeObject 對象，這個frame就是這個PyCodeObject對象的上下文環境  
    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; //"運行時棧"的棧底位置  
    PyObject **f_stacktop;   //"運行時棧"的棧頂位置  
    //...  
    int f_lasti;  //上一條字節碼指令在f_code中的偏移位置  
    int f_lineno; //當前字節碼對應的源代碼行  
    //...  
      
    //動態內存，維護(局部變量+cell對象集合+free對象集合+運行時棧)所需要的空間  
    PyObject *f_localsplus[1];    
} PyFrameObject;

每一個 PyFrameObject對象都維護了一個 PyCodeObject對象，這表明每一個 PyFrameObject中的動態內存空間對象都和源代碼中的一段Code相對應。

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