pvm虚拟机基本原理
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:
大佬webber博客:https://www.cnblogs.com/webber1992/p/6597166.html
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:
typedef struct {
PyObject_HEAD
int co_argcount; /* 位置参数个数 */
int co_nlocals; /* 局部变量个数 */
int co_stacksize; /* 栈大小 */
int co_flags;
PyObject *co_code; /* 字节码指令序列 */
PyObject *co_consts; /* 所有常量集合 */
PyObject *co_names; /* 所有符号名称集合 */
PyObject *co_varnames; /* 局部变量名称集合 */
PyObject *co_freevars; /* 闭包用的变量名集合 */
PyObject *co_cellvars; /* 内部嵌套函数引用的变量名集合 */
/* The rest doesn’t count for hash/cmp */
PyObject *co_filename; /* 代码所在文件名 */
PyObject *co_name; /* 模块名|函数名|类名 */
int co_firstlineno; /* 代码块在文件中的起始行号 */
PyObject *co_lnotab; /* 字节码指令和行号的对应关系 */
void *co_zombieframe; /* for optimization only (see frameobject.c) */
} 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;
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