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Python 的內(nèi)部工作原理

Nov 04, 2024 pm 01:45 PM

Internal Working Of Python

這是完整的代碼文件:代碼

1.源代碼

當(dāng)您編寫 Python 腳本時,它是人類可讀的文本。這個源代碼是一切的起點。

您的 Python 源代碼以 .py 文件編寫,是人類可讀的。此代碼定義了程序的功能,指定變量、函數(shù)、循環(huán)等。

2.編譯為字節(jié)碼(編譯器)

當(dāng)你運行Python程序時,第一步是將源代碼編譯為字節(jié)碼。這是由 Python 解釋器完成的:

  • 語法檢查:確保沒有語法錯誤。
  • 編譯:將高級源代碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼,這是一種較低級別的、與平臺無關(guān)的表示形式。該字節(jié)碼通常駐留在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 文件中。
    • 編譯器:Python 使用解釋器,但它首先將源代碼編譯為稱為字節(jié)碼的較低級別形式。
  • 標(biāo)記化:將代碼分解為稱為標(biāo)記的小塊(如關(guān)鍵字、運算符、標(biāo)識符)。
  • 解析:分析標(biāo)記以確保它們遵循 Python 的語法規(guī)則。
  • 控制流圖(CFG):表示程序在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
  • 字節(jié)碼生成:將解析后的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼,這是Python虛擬機(jī)(PVM)的一組指令。

Internal Working Of Python

讓我們深入探討一下。

Python 編譯器:盡管 Python 被稱為解釋性語言,但它確實有一個編譯步驟。詳細(xì)內(nèi)容如下:

標(biāo)記化

  • 將代碼分解為稱為標(biāo)記的小塊(如關(guān)鍵字、運算符、標(biāo)識符)。
  1. 源代碼:從您編寫的代碼開始。
  2. 分詞器 (Lexer):這會將源代碼分解為稱為標(biāo)記的較小部分,例如關(guān)鍵字(for、if)、運算符(、-)、標(biāo)識符(變量名稱)和文字(例如數(shù)字或字符串) .
  3. 解析:分析標(biāo)記以確保它們遵循 Python 的語法規(guī)則。
  4. 語法分析:解析器獲取這些標(biāo)記并根據(jù) Python 的語法規(guī)則檢查它們。
  5. 解析樹:從標(biāo)記構(gòu)建樹結(jié)構(gòu),表示代碼的語法結(jié)構(gòu)。
  6. 語義分析:確保代碼在數(shù)據(jù)類型、范圍和其他特定于上下文的規(guī)則方面有意義。
  7. 控制流圖(CFG):表示程序在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
    • 控制流圖:表示代碼執(zhí)行過程中可能采取的所有可能路徑。
    • 節(jié)點和邊:每個節(jié)點代表一個基本代碼塊,邊代表從一個塊到另一個塊的控制流。
  8. 字節(jié)碼生成:將解析后的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼,這是Python虛擬機(jī)(PVM)的一組指令。
    • 字節(jié)碼是源代碼的更緊湊、較低級別的表示形式,并針對執(zhí)行進(jìn)行了優(yōu)化。它獨立于平臺,這意味著它可以在任何具有兼容 PVM 的系統(tǒng)上運行。
    • 字節(jié)碼:解析后的代碼被轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼,一種較低級別的、與平臺無關(guān)的表示。
    • 指令集:該字節(jié)碼是Python虛擬機(jī)(PVM)可以執(zhí)行的一組指令。字節(jié)碼存儲在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 文件中,以加快將來的執(zhí)行速度。

3.加載字節(jié)碼(字節(jié)碼)

編譯后,Python 虛擬機(jī)加載字節(jié)碼:

  • 從緩存中讀取:如果字節(jié)碼之前已編譯且未更改,則從緩存(__pycache__)中讀取。這通過跳過編譯步驟來加快執(zhí)行速度。
    • 字節(jié)碼已加載到內(nèi)存中,準(zhǔn)備執(zhí)行。然后字節(jié)碼由 PVM 執(zhí)行,解釋指令以執(zhí)行程序的任務(wù)。

4.由 PVM (PVM) 執(zhí)行

PVM 現(xiàn)在解釋并執(zhí)行字節(jié)碼:

  • 指令執(zhí)行:PVM 讀取每個字節(jié)碼指令并執(zhí)行它。每條指令對應(yīng)一個特定的操作,例如加載值、執(zhí)行算術(shù)或調(diào)用函數(shù)。
  • 內(nèi)存管理:管理變量和對象的內(nèi)存分配和釋放。

Python 中的內(nèi)存管理:

  1. 引用計數(shù):Python 跟蹤內(nèi)存中對象的引用數(shù)量。當(dāng)引用計數(shù)降至零時,可以回收該對象占用的內(nèi)存。
  2. 對象分配:代碼運行時在內(nèi)存中創(chuàng)建 Python 對象(如整數(shù)、字符串、列表)。
  3. 垃圾收集:Python 有一個垃圾收集器,它通過釋放不再使用的內(nèi)存(即引用計數(shù)為零的對象)來幫助管理內(nèi)存。
  4. 內(nèi)存池:Python 使用內(nèi)存池來更有效地分配小對象。這種池化有助于減少頻繁分配和釋放小塊內(nèi)存的開銷。
  5. 內(nèi)存優(yōu)化:Python 應(yīng)用各種優(yōu)化來最小化內(nèi)存使用,例如:
    • PVM 執(zhí)行各種運行時優(yōu)化以提高效率,例如某些實現(xiàn)(如 PyPy)中的即時 (JIT) 編譯。
    • 重用小整數(shù)和內(nèi)部字符串。
    • 有效管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(例如元組、列表、字典)。

示例

  • 字節(jié)碼緩存:PVM 緩存已編譯的字節(jié)碼,以避免每次都重新編譯源代碼。這會加快后續(xù)運行的速度。
  • 常量折疊:這涉及在編譯時而不是運行時簡化常量表達(dá)式。例如,3 * 2 可能會預(yù)先計算為 6。

所以,總而言之:PVM 就像一個管弦樂隊指揮,無縫地將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以執(zhí)行的操作。它的美妙之處在于,得益于 PVM,Python 代碼是可移植的,無需修改即可在不同平臺上運行。

我們?nèi)绾尾榭醋止?jié)碼是否生成?

導(dǎo)入Python模塊時,Python會將源代碼編譯為字節(jié)碼并將其存儲在__pycache__目錄中。這有助于加快未來的導(dǎo)入速度,避免每次導(dǎo)入時都需要重新編譯模塊。

流程如下:

  • 首次導(dǎo)入:首次導(dǎo)入模塊時,Python 會將 .py 文件編譯為字節(jié)碼。
  • pycache 目錄:字節(jié)碼存儲在 __pycache__ 目錄中,名稱類似于 module_name.cpython-312.pyc。 # 312 是 Python 版本。
  • 后續(xù)導(dǎo)入:在后續(xù)導(dǎo)入時,Python 會檢查 __pycache__ 目錄中是否有已編譯的字節(jié)碼,如果源代碼未更改,則使用它,從而加快導(dǎo)入過程。

例子:

我們有 byte.py。當(dāng)我們在執(zhí)行 byte.py 后從 hello_world.py 導(dǎo)入代碼時,我們可以看到該特定文件夾中會有一個目錄 __pycache__ ,并且我們可以看到 .pyc 文件:

from hello_world import greet

greet("Byte code")


通過使用 py_compile

py_compile模塊,它允許你將Python源文件編譯成字節(jié)碼文件。這是一種加快未來運行腳本執(zhí)行速度的便捷方法。

在 byte.py 中

import py_compile

py_compile.compile('hello_world.py')

  • py_compile 模塊將 hello_world.py 編譯為字節(jié)碼。
  • 生成的字節(jié)碼存儲在 pycache 目錄中,創(chuàng)建一個名為 hello_world.cpython-38.pyc (或類似文件,具體取決于您的 Python 版本)的文件。

生成字節(jié)碼:

  • 執(zhí)行整個腳本來生成字節(jié)碼。這意味著任何頂級代碼(例如 print("Hello, World!") 和 print("c"))都將在編譯過程中運行。

生成的字節(jié)碼:

  • 字節(jié)碼包含所有函數(shù)、類和可執(zhí)行語句,Python 使用它們來加速未來腳本的導(dǎo)入。

顯示模塊

Python 中的 dis 模塊用于將字節(jié)碼反匯編成更易讀的形式。這可以幫助您了解 Python 代碼在幕后的用途。它對于調(diào)試或了解 Python 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別有用。

  • 在internal.py中我們有
from hello_world import greet

greet("Byte code")


輸出

import py_compile

py_compile.compile('hello_world.py')

  • 程序首先導(dǎo)入 dis 模塊,這是一個用于分析 CPython 字節(jié)碼的強(qiáng)大工具。 CPython 是 Python 的默認(rèn)實現(xiàn),字節(jié)碼是 Python 解釋器的中間語言。
  • 接下來,我定義了一個名為greet的簡單函數(shù)。該函數(shù)接受參數(shù)名稱并打印出問候語。盡管函數(shù)本身非常簡單,但 Python 底層發(fā)生的事情比表面上看起來更復(fù)雜。
  • disassemble_function 函數(shù)使用 dis.dis() 來反匯編greet函數(shù)。 dis.dis() 將 Python 函數(shù)轉(zhuǎn)換為 Python 虛擬機(jī)實際執(zhí)行的低級字節(jié)碼。這個字節(jié)碼是Python對greet函數(shù)的解釋,更接近機(jī)器代碼。
  • 當(dāng)腳本調(diào)用 disassemble_function() 時,控制臺輸出顯示我們的greet 函數(shù)的字節(jié)碼。

這是字節(jié)碼告訴我們的內(nèi)容:

  • LOAD_GLOBAL(0):此操作碼用于加載全局變量,在本例中是打印函數(shù)。
  • LOAD_CONST(1):這會將常量值“Hello,”加載到堆棧上。
  • LOAD_FAST(0):此操作碼將局部變量名稱加載到堆棧上。
  • FORMAT_VALUE(0):這會格式化我們的名稱字符串,準(zhǔn)備將其插入到即將構(gòu)建的字符串中。
  • BUILD_STRING(2):這采用堆棧上的前兩個值(“Hello,”和名稱)并構(gòu)建最終字符串。
  • CALL_FUNCTION(1):這一行調(diào)用函數(shù)(我們加載到堆棧上的全局打印函數(shù)),參數(shù)計數(shù)位于括號中(我們有一個參數(shù),即我們的格式化字符串)。
  • POP_TOP:這會刪除堆棧頂部(上一次調(diào)用的結(jié)果,因為 print 返回 None)。
  • LOAD_CONST(0):不加載。
  • RETURN_VALUE:這是greet函數(shù)的返回值,由于沒有明確的return語句,因此為None。
  • 本質(zhì)上,字節(jié)碼顯示了Python執(zhí)行我們的greet函數(shù)時執(zhí)行的各個操作。理解這些指令對于開發(fā)人員理解 Python 如何執(zhí)行代碼、優(yōu)化函數(shù)和管理資源至關(guān)重要 - 當(dāng)我們運行 Python 代碼時,所有這些都在幕后無縫地發(fā)生。

這不是一次令人愉快地深入 Python 機(jī)房的經(jīng)歷嗎?繼續(xù)編碼并繼續(xù)探索該語言引擎室的深度?!

以上是Python 的內(nèi)部工作原理的詳細(xì)內(nèi)容。更多信息請關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章!

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