django python 虚拟机 python虚拟机原理

零、绪论：特别鸣谢下文博客，自己博客是对这篇博客的学习笔记：

一、三种文件：

1、pyc文件：py文件编译后的二进制文件。

2、pyo文件：优化后的py编译的文件。

3、pyd文件：其他语言编程的py库。

二、python编译的过程：

python不单纯是一种解释性语言，也需要编译，需要编译成字节码。然后模仿可执行文件的入栈出栈调用顺序执行。pyc文件中保存这编译而成的字节码，PVM从PyCodeObject读取字节码一条一条执行。PyCodeObject保存字节码以及进程上下文信息。pyc文件在import事后创建PyCodeObject对象，一般是由py_compile模块操作的。直接执行py文件不会生成pyc，但是可以通过python -m xxx.py生成pyc文件。

从整体上看：OS中执行程序离不开两个概念：进程和线程。python中模拟了这两个概念，模拟进程和线程的分别是PyInterpreterState和PyTreadState。即：每个PyThreadState都对应着一个帧栈，python虚拟机在多个线程上切换。当python虚拟机开始执行时，它会先进行一些初始化操作，最后进入PyEval_EvalFramEx函数，它的作用是不断读取编译好的字节码，并一条一条执行，类似CPU执行指令的过程。函数内部主要是一个switch结构，根据字节码的不同执行不同的代码。

三、PyCodeObject的结构：

1 typedef struct{2 PyObject_HEAD3 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 intco_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;

引用的C语言的PyCodeObject的结构体

四、执行过程：

Python虚拟机的原理就是模拟可执行程序再X86机器上的运行，X86的运行时栈帧如下图：

假如test.py用C语言来实现，会是下面这个样子：

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

Python虚拟机的原理就是模拟上述行为。当发生函数调用时，创建新的栈帧，对应Python的实现就是PyFrameObject对象。

PyFrameObject对象创建程序运行时的动态信息，即执行环境，相关源码大致如下：

typedef struct _frame{
PyObject_VAR_HEAD //"运行时栈"的大小是不确定的
struct _frame *f_back; //执行环境链上的前一个frame，很多个PyFrameObject连接起来形成执行环境链表
PyCodeObject *f_code; //PyCodeObject 对象，这个frame就是这个PyCodeObject对象的上下文环境
PyObject *f_builtins; //builtin名字空间
PyObject *f_globals; //global名字空间
PyObject *f_locals; //local名字空间
PyObject **f_valuestack; //"运行时栈"的栈底位置
PyObject **f_stacktop; //"运行时栈"的栈顶位置
//...
int f_lasti; //上一条字节码指令在f_code中的偏移位置
int f_lineno; //当前字节码对应的源代码行
//...
//动态内存，维护(局部变量+cell对象集合+free对象集合+运行时栈)所需要的空间
PyObject *f_localsplus[1];
} PyFrameObject;