python程序如何工作

随着人工智能时代的来临，python成为了人们学习编程的首先语言。那么，python程序怎么运行的?我们下面来介绍下。

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python程序执行原理

我们都知道，使用C，C++之类的编译性语言编写的程序，是需要从源文件转换成计算机使用的机器语言，经过链接器链接之后形成了二进制可执行文件。运行该程序的时候，就可以二进制程序从硬盘载入到内存中并运行。

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但是对于Python而言，Python源码不需要编译成二进制代码，它可以直接从源代码运行程序。Python解释器将源代码转换为字节码，然后把编译好的字节码转发到Python虚拟机(PVM)中进行执行。当我们运行Python程序的时候，Python解释器会执行两个步骤。

(1) 把源代码编译成字节码。编译后的字节码是特定于Python的一种表现形式，它不是二进制的机器码，需要进一步编译才能被机器执行，这也是Python代码无法运行的像C，C++一样快的原因。如果Python进程在机器上拥有写入权限，那么它将把程序的字节码保存为一个以.pyc为扩展名的文件，如果Python无法在机器上写入字节码，那么宇节码将会在内存中生成并在程序结束时自动丢弃。在构建程序的时候最好给Python赋上在计算机上写的权限，这样只要源代码没有改变，生成的.pyc文件可以重复利用，提高执行效率。

(2) 把编译好的字节码转发到Python虚拟机(PVM)中进行执行。PVM是Python Virtual Machine的简称，它是Python的运行引擎，是Python系统的一部分，它是迭代运行字节码指令的一个大循环，一个接一个地完成操作。

ue5python原理

Python先把代码（.py文件）编译成字节码，交给字节码虚拟机，然后解释器一条一条执行字节码指令，从而完成程序的执行。

1.1python先把代码(.py文件)编译成字节码，交给字节码虚拟机，然后解释器会从编译得到的PyCodeObject对象中一条一条执行字节码指令，

并在当前的上下文环境中执行这条字节码指令，从而完成程序的执行。Python解释器实际上是在模拟操作中执行文件的过程。PyCodeObject对象

中包含了字节码指令以及程序的所有静态信息，但没有包含程序运行时的动态信息——执行环境（PyFrameObject)

2. 字节码

字节码在python解释器程序里对应的是PyCodeObject对象

.pyc文件是字节码在磁盘上的表现形式

2.1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解释器在多个线程上切换。当python解释器开始执行时，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。

3. .pyc文件

PyCodeObject对象的创建时机是模块加载的时候，及import

Python test.py会对test.py进行编译成字节码并解释执行，但是不会生成test.pyc

如果test.py加载了其他模块，如import urlib2, Python会对urlib2.py进行编译成字节码，生成urlib2.pyc,然后对字节码进行解释

如果想生成test.pyc，我们可以使用Python内置模块py_compile来编译。

加载模块时，如果同时存在.py和pyc,Python会尝试使用.pyc，如果.pyc的编译时间早于.py的修改时间，则重新编译.py并更新.pyc。

4. PyCodeObject

Python代码的编译结果就是PyCodeObject对象

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;

5. .pyc文件格式

加载模块时，模块对应的PyCodeObject对象被写入.pyc文件

6.分析字节码

6.1解析PyCodeObject

Python提供了内置函数compile可以编译python代码和查看PyCodeObject对象

6.2指令序列co_code的格式

opcode oparg opcode opcode oparg …

1 byte 2 bytes 1 byte 1 byte 2 bytes

Python内置的dis模块可以解析co_code

7. 执行字节码

Python解释器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

Python解释器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

7.1 PyFrameObject

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;

每一个 PyFrameObject对象都维护了一个 PyCodeObject对象，这表明每一个 PyFrameObject中的动态内存空间对象都和源代码中的一段Code相对应。

Python中函数参数传递问题

对于可变参数默认是引用传值, 但是不能去修改它的指向, 一旦修改就是按值传递.

# coding=utf-8

def f(a):

a = [0]

print(a)

if __name__ == '__main__':

a = [1, 2, 3]

f(a)

print(a)

上面的代码对a重新赋值, 试图改变a的指向, 那么这时的a就是一个新的局部变量, 而非全局变量a

像a[0] = 100, a.append(0)的操作不会触发上述规则, 和你的输出一样

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