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Python編譯過程和執(zhí)行原理解析

更新時(shí)間：2023年07月28日 11:22:19 作者：Token_w

這篇文章主要介紹了Python編譯過程和執(zhí)行原理解析,本文給大家介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下

一. Python執(zhí)行原理

這里的解釋執(zhí)行是相對(duì)于編譯執(zhí)行而言的。我們都知道，使用C/C++之類的編譯性語言編寫的程序，是需要從源文件轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)使用的機(jī)器語言，經(jīng)過鏈接器鏈接之后形成了二進(jìn)制的可執(zhí)行文件。運(yùn)行該程序的時(shí)候，就可以把二進(jìn)制程序從硬盤載入到內(nèi)存中并運(yùn)行。

但是對(duì)于Python而言，Python源碼不需要編譯成二進(jìn)制代碼，它可以直接從源代碼運(yùn)行程序。當(dāng)我們運(yùn)行Python文件程序的時(shí)候，Python解釋器將源代碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，然后再由Python解釋器來執(zhí)行這些字節(jié)碼。這樣，Python就不用擔(dān)心程序的編譯,庫(kù)的鏈接加載等問題了。

對(duì)于Python解釋語言，有以下3方面的特性：

每次運(yùn)行都要進(jìn)行轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼，然后再有虛擬機(jī)把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言，最后才能在硬件上運(yùn)行。與編譯性語言相比，每次多出了編譯和鏈接的過程，性能肯定會(huì)受到影響。
由于不用關(guān)心程序的編譯和庫(kù)的鏈接等問題，開發(fā)的工作也就更加輕松啦。
Python代碼與機(jī)器底層更遠(yuǎn)了，Python程序更加易于移植，基本上無需改動(dòng)就能在多平臺(tái)上運(yùn)行。

在具體計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一種語言，首先要確定的是表示該語言語義解釋的虛擬計(jì)算機(jī)，一個(gè)關(guān)鍵的問題是程序執(zhí)行時(shí)的基本表示是實(shí)際計(jì)算機(jī)上的機(jī)器語言還是虛擬機(jī)的機(jī)器語言。這個(gè)問題決定了語言的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這個(gè)問題的回答，可以將程序設(shè)計(jì)語言劃分為兩大類：編譯型語言和解釋型語言。

編譯實(shí)現(xiàn)的語言，如：C、C++、Fortran、Pascal、Ada。由編譯型語言編寫的源程序需要經(jīng)過編譯,匯編和鏈接才能輸出目標(biāo)代碼，然后由機(jī)器執(zhí)行目標(biāo)代碼。目標(biāo)代碼是有機(jī)器指令組成，不能獨(dú)立運(yùn)行，因?yàn)樵闯绦蛑锌赡苁褂昧艘恍﹨R編程序不能解釋引用的庫(kù)函數(shù)，而庫(kù)函數(shù)又不在源程序中，此時(shí)還需要鏈接程序完成外部引用和目標(biāo)模板調(diào)用的鏈接任務(wù)，最后才能輸出可執(zhí)行代碼。
解釋型語言，解釋器不產(chǎn)生目標(biāo)機(jī)器代碼，而是產(chǎn)生中間代碼，這種中間代碼與機(jī)器代碼不同，中間代碼的解釋是由軟件支持的，不能直接使用在硬件上。該軟件解釋器通常會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行效率較低，用解釋型語言編寫的程序是由另一個(gè)可以理解中間代碼的解釋程序執(zhí)行的。和編譯的程序不同的是,解釋程序的任務(wù)是逐一將源代碼的語句解釋成可執(zhí)行的機(jī)器指令，不需要將源程序翻譯成目標(biāo)代碼再執(zhí)行。對(duì)于解釋型語言，需要一個(gè)專門的解釋器來執(zhí)行該程序，每條語句只有在執(zhí)行是才能被翻譯，這種解釋型語言每執(zhí)行一次就翻譯一次，因而效率低下。
Java解釋器，java很特殊，java是需要編譯的，但是沒有直接編譯成機(jī)器語言，而是編譯成字節(jié)碼，然后在Java虛擬機(jī)上用解釋的方式執(zhí)行字節(jié)碼。Python也使用了類似的方式，先將Python編譯成Python字節(jié)碼，然后由一個(gè)專門的Python字節(jié)碼解釋器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行字節(jié)碼。
Python是一門解釋語言，但是出于效率的考慮，提供了一種編譯的方法。編譯之后就得到pyc文件，存儲(chǔ)了字節(jié)碼。Python這點(diǎn)和java很類似，但是java與Python不同的是，Python是一個(gè)解釋型的語言，所以編譯字節(jié)碼不是一個(gè)強(qiáng)制的操作，事實(shí)上，編譯是一個(gè)自動(dòng)的過程，一般不會(huì)在意它的存在。編譯成字節(jié)碼可以節(jié)省加載模塊的時(shí)間，提高效率。
除了效率之外，字節(jié)碼的形式也增加了反向工程的難度，可以保護(hù)源代碼。這個(gè)只是一定程度上的保護(hù)，反編譯還是可以的。

二. Python內(nèi)部執(zhí)行過程

2.1 編譯過程概述

當(dāng)我們執(zhí)行Python代碼的時(shí)候，在Python解釋器用四個(gè)過程“拆解”我們的代碼，最終被CPU執(zhí)行返回給用戶。

首先當(dāng)用戶鍵入代碼交給Python處理的時(shí)候會(huì)先進(jìn)行詞法分析，例如用戶鍵入關(guān)鍵字或者當(dāng)輸入關(guān)鍵字有誤時(shí)，都會(huì)被詞法分析所觸發(fā)，不正確的代碼將不會(huì)被執(zhí)行。

下一步Python會(huì)進(jìn)行語法分析，例如當(dāng)"for i in test:"中，test后面的冒號(hào)如果被寫為其他符號(hào)，代碼依舊不會(huì)被執(zhí)行。

下面進(jìn)入最關(guān)鍵的過程，在執(zhí)行Python前，Python會(huì)生成.pyc文件，這個(gè)文件就是字節(jié)碼，如果我們不小心修改了字節(jié)碼，Python下次重新編譯該程序時(shí)會(huì)和其上次生成的字節(jié)碼文件進(jìn)行比較，如果不匹配則會(huì)將被修改過的字節(jié)碼文件進(jìn)行覆蓋，以確保每次編譯后字節(jié)碼的準(zhǔn)確性。

那么什么是字節(jié)碼？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)碼在磁盤上的表現(xiàn)形式。簡(jiǎn)單來說就是在編譯代碼的過程中，首先會(huì)將代碼中的函數(shù)、類等對(duì)象分類處理，然后生成字節(jié)碼文件。有了字節(jié)碼文件，CPU可以直接識(shí)別字節(jié)碼文件進(jìn)行處理，接著Python就可執(zhí)行了。

2.2 過程圖解

在這里插入圖片描述

2.3 編譯字節(jié)碼

Python中有一個(gè)內(nèi)置函數(shù)compile()，可以將源文件編譯成codeobject，首先看這個(gè)函數(shù)的說明：

compile(...) compile(source, filename, mode[, flags[, dont_inherit]]) -> code object

參數(shù)1：源文件的內(nèi)容字符串

參數(shù)2：源文件名稱

參數(shù)3：exec-編譯module，single-編譯一個(gè)聲明，eval-編譯一個(gè)表達(dá)式一般使用前三個(gè)參數(shù)就夠了

使用示例：

#src_file.py
#some function
def f(d=0):
    c=1
    print "hello"
a=9
b=8
f()
>>> a=open('src_file.py','r').read()    #命令行模式中打開源文件進(jìn)行編譯
>>> co=compile(a,'src_file','exec')
>>> type(co)
<type 'code'>    #編譯出了codeobject對(duì)象

2.4 codeobject對(duì)象的屬性

codeobject有哪些變量，接上節(jié)的內(nèi)容分析一下：

print(co.co_names)   #所有的符號(hào)名稱
# ('f', 'a', 'b')
print(co.co_name)#模塊名、函數(shù)名、類名
# <module>
print(co.co_consts)  #常量集合、函數(shù)f和兩個(gè)int常量a,b，d
# (0, <code object f at 0xb7273b18, file "src_file", line 2>, 9, 8, None)
print(co.co_consts[1].co_varnames)  #可以看到f函數(shù)也是一個(gè)codeobject,打印f中的局部變量
# ('c',)
print(co.co_code)  #字節(jié)碼指令
# dZdZdZedS
print(co.co_consts[1].co_firstlineno)  #代碼塊在文件中的起始行號(hào)
# 2
print(co.co_stacksize)  #代碼棧大小
# 2
print(co.co_filename)  #文件名
# src_file    #模塊名、函數(shù)名、類名

codeobject的co_code代表了字節(jié)碼，這個(gè)字節(jié)碼有什么含義？我們可以使用dis模塊進(jìn)行Python的反編譯：

import dis
dis.dis(co)
print(output)
'''
 2        0 LOAD_CONST               0 (0)
          3 LOAD_CONST               1 (<code object f at 0xb7273b18, file "src_file", line 2>)
          6 MAKE_FUNCTION            1
          9 STORE_NAME               0 (f)
 5        12 LOAD_CONST              2 (9)
          15 STORE_NAME              1 (a)
 6        18 LOAD_CONST              3 (8)
          21 STORE_NAME              2 (b)
 7        24 LOAD_NAME               0 (f)
          27 CALL_FUNCTION           0
          30 POP_TOP             
          31 LOAD_CONST              4 (None)
          34 RETURN_VALUE '''

從反編譯的結(jié)果來看，Python字節(jié)碼其實(shí)是模仿的x86的匯編，將代碼編譯成一條一條的指令交給一個(gè)虛擬的cpu去執(zhí)行。