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這篇文章主要介紹Python虛擬機(jī)框架知識(shí)點(diǎn)有哪些，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

　　Python虛擬機(jī)框架知識(shí)點(diǎn)講解：

　　一、Python字節(jié)碼

　　我們知道，Python源代碼在執(zhí)行前，會(huì)先將源代碼編譯為字節(jié)碼序列，Python虛擬機(jī)就根據(jù)這些字節(jié)碼進(jìn)行一系列的操作，從而完成對(duì)Python程序的執(zhí)行。在Python2.5中，一共定義了104條字節(jié)碼指令：

　　opcode.h

　　如果我們仔細(xì)看上面的字節(jié)碼指令，會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然字節(jié)碼是從0定義到143，但中間有發(fā)生跳躍，比方5直接跳躍到9，13直接跳躍到15，15直接跳躍到18。所以，Python2.5實(shí)際上只定義了104條字節(jié)碼指令

　　在Python2.5的104條指令中，有一部分需要參數(shù)，另一部分是沒(méi)有參數(shù)的。所有需要參數(shù)的字節(jié)碼指令的編碼都是大于90。Python中提供了專門的宏來(lái)判斷一條字節(jié)碼指令是否需要參數(shù)：

　　opcode.h

　　我們?cè)赑ython之code對(duì)象與pyc文件（一）、Python之code對(duì)象與pyc文件（二）和Python之code對(duì)象與pyc文件（三）介紹了PyCodeObject對(duì)象，這個(gè)對(duì)象是Python對(duì)源代碼進(jìn)行編譯后在內(nèi)存中產(chǎn)生的靜態(tài)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象當(dāng)然也包含了源代碼編譯后的字節(jié)碼，我們可以用Python提供的code對(duì)象解析工具dis對(duì)其進(jìn)行解析

　　最左邊的一列是字節(jié)碼指令在源代碼中所對(duì)應(yīng)的行數(shù)，左起第二列是當(dāng)前字節(jié)碼在co_code中的偏移位置，第三列顯示了當(dāng)前字節(jié)碼的指令，第四列是指令的參數(shù)，最后一列是計(jì)算后的實(shí)際參數(shù)

　　二、Python虛擬機(jī)的運(yùn)行框架

　　當(dāng)Python啟動(dòng)后，首先會(huì)進(jìn)行Python運(yùn)行時(shí)環(huán)境的初始化。注意，這里的運(yùn)行時(shí)環(huán)境與之前的章節(jié)《Python之code對(duì)象與pyc文件》中的執(zhí)行環(huán)境是不同的。運(yùn)行時(shí)環(huán)境是一個(gè)全局的概念，而執(zhí)行環(huán)境實(shí)際就是一個(gè)棧幀。是一個(gè)與某個(gè)Code Block對(duì)應(yīng)的概念。而Python虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，是在一個(gè)函數(shù)中，這里我們列一下源碼，與實(shí)際的源代碼會(huì)做一些刪改：

　　ceval.c

　　PyEval_EvalFrameEx首先會(huì)初始化一些變量，其中PyFrameObject對(duì)象中的PyCodeObject對(duì)象包含的重要信息都被照顧到了。當(dāng)然，另一個(gè)重要的動(dòng)作就是初始化了堆棧的棧頂指針stack_pointer，使其指向f->f_stacktop。PyCodeObject對(duì)象中的co_code域中保存著字節(jié)碼指令和字節(jié)碼指令的參數(shù)，Python虛擬機(jī)執(zhí)行字節(jié)碼指令序列的過(guò)程就是從頭到尾遍歷整個(gè)co_code、依次執(zhí)行字節(jié)碼指令的過(guò)程。

　　在Python虛擬機(jī)中，利用3個(gè)變量來(lái)完成整個(gè)遍歷過(guò)程。co_code實(shí)際上是一個(gè)PyStringObject對(duì)象，而其中的字符數(shù)組才是真正有意義的東西，整個(gè)字節(jié)碼指令序列實(shí)際上在C中就是一個(gè)字符數(shù)組。因此，遍歷過(guò)程中所使用的3個(gè)變量都是char *類型的變量，first_instr永遠(yuǎn)指向字節(jié)碼指令序列的開始位置，next_instr永遠(yuǎn)指向下一條待執(zhí)行的字節(jié)碼指令的位置，f_lasti指向上一條已經(jīng)執(zhí)行過(guò)的字節(jié)碼指令的位置。

       圖1-1展示了3個(gè)變量在遍歷中某時(shí)刻的情景
　　
　　Python虛擬機(jī)執(zhí)行字節(jié)碼指令的架構(gòu)，其實(shí)就是一個(gè)for循環(huán)加上一個(gè)巨大的switch/case結(jié)構(gòu)：

　　ceval.c

　　上面的代碼只是一個(gè)極度簡(jiǎn)化之后的Python虛擬機(jī)的樣子，完整的代碼實(shí)現(xiàn)在ceval.c文件的PyEval_EvalFrameEx方法中。

　　在這個(gè)執(zhí)行架構(gòu)中，對(duì)字節(jié)碼的一步一步地遍歷是通過(guò)幾個(gè)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

　　ceval.c

　　在對(duì)PyCodeObject對(duì)象分析中我們說(shuō)過(guò)，Python字節(jié)碼有的是帶參數(shù)的，有的是沒(méi)帶參數(shù)的，判斷字節(jié)碼是否帶參數(shù)具體參考HAS_ARG這個(gè)宏的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同字節(jié)碼指令，由于存在是否需要指令參數(shù)的區(qū)別，所以next_instr的位移可能是不同的，但無(wú)論如何，next_instr總是指向Python下一條要執(zhí)行的字節(jié)碼。

　　Python在獲得了一條字節(jié)碼和其需要的指令參數(shù)后，會(huì)對(duì)字節(jié)碼指令利用switch進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果選擇不同的case語(yǔ)句，每一條字節(jié)碼指令都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)case語(yǔ)句。在case語(yǔ)句中，就是Python對(duì)字節(jié)碼指令的實(shí)現(xiàn)。

　　在成功執(zhí)行完一條字節(jié)碼指令后，Python的執(zhí)行流程會(huì)跳轉(zhuǎn)到fast_next_opcode處，或者是for循環(huán)處，不管如何，Python接下來(lái)的動(dòng)作都是獲得下一條字節(jié)碼指令和指令參數(shù)，完成對(duì)下一條指令的執(zhí)行。如此一條一條地遍歷co_code中包含的所有字節(jié)碼指令，最終完成了對(duì)Python程序的執(zhí)行。

　　這里還需要提到一個(gè)變量"why"，它指示了退出這個(gè)巨大的for循環(huán)時(shí)Python執(zhí)行引擎的狀態(tài)，因?yàn)镻ython執(zhí)行引擎不一定每次執(zhí)行都會(huì)正確無(wú)誤，很有可能在執(zhí)行某條字節(jié)碼時(shí)產(chǎn)生了錯(cuò)誤，這就是我們熟悉的異常——exception。所以在Python退出執(zhí)行引擎的時(shí)候，就需要知道執(zhí)行引擎是因?yàn)槭裁炊Y(jié)束的，是正常結(jié)束呢？還是因?yàn)殄e(cuò)誤的發(fā)生，無(wú)法執(zhí)行下去了？why就承擔(dān)起這一重則變量why的取值范圍在ceval.c中被定義，其實(shí)也是Python結(jié)束字節(jié)碼執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)：
　　ceval.c

　　三、Python運(yùn)行時(shí)環(huán)境初探

　　前面我們說(shuō)過(guò)，PyFrameObject對(duì)應(yīng)于可執(zhí)行文件在執(zhí)行時(shí)的棧幀，但一個(gè)可執(zhí)行文件要在操作系統(tǒng)中運(yùn)行只有棧幀是不夠的，我們還忽略了兩個(gè)對(duì)于可執(zhí)行文件至關(guān)重要的概念：進(jìn)程和線程。Python在初始化時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)主線程，所以其運(yùn)行環(huán)境中存在一個(gè)主線程。因?yàn)樵诤竺嫫饰鯬ython異常機(jī)制會(huì)利用到Python內(nèi)部的線程模型，因此，我們需要對(duì)Python線程模型有一個(gè)整體概念上的了解。

　　以Win32平臺(tái)為例，我們知道，對(duì)于原生Win32可執(zhí)行文件，都會(huì)在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行。進(jìn)程并非是與機(jī)器指令序列相對(duì)應(yīng)的活動(dòng)對(duì)象，這個(gè)可執(zhí)行文件中機(jī)器指令序列對(duì)應(yīng)的活動(dòng)對(duì)象是由線程這個(gè)概念來(lái)進(jìn)行抽象的，而進(jìn)程則是線程的活動(dòng)環(huán)境。

　　對(duì)于通常的單線程可執(zhí)行文件，在執(zhí)行時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，在進(jìn)程中，又會(huì)有一個(gè)主線程，而對(duì)于多線程的可執(zhí)行文件，在執(zhí)行時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建出一個(gè)進(jìn)程和多個(gè)線程，該多個(gè)線程能共享進(jìn)程地址空間中的全局變量，這就自然而然地引出線程同步的問(wèn)題。CPU對(duì)任務(wù)的切換實(shí)際上是在線程間切換，在切換任務(wù)時(shí)，CPU需要執(zhí)行線程環(huán)境的保存工作，而在切換至新線程后，需要恢復(fù)該線程的線程環(huán)境。

　　前面我們所看到的Python虛擬機(jī)的運(yùn)行框架，實(shí)際上就是對(duì)CPU的抽象，可以看做一個(gè)軟CPU，Python中所有線程都使用這個(gè)軟CPU來(lái)完成計(jì)算工作。真實(shí)機(jī)器的任務(wù)切換機(jī)制對(duì)應(yīng)到Python中，就是使不同的線程輪流使用虛擬機(jī)的機(jī)制。

　　CPU切換任務(wù)時(shí)需要保存線程運(yùn)行環(huán)境。對(duì)于Python來(lái)說(shuō)，在切換線程之前，同樣需要保存關(guān)于當(dāng)前線程的信息。在Python中，這個(gè)關(guān)于線程狀態(tài)信息的抽象是通過(guò)PyThreadState對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)線程將擁有一個(gè)PyThreadState對(duì)象。所以從另一種意義來(lái)說(shuō)，這個(gè)PyThreadState對(duì)象也可以看成是線程本身的抽象。但實(shí)際上，這兩者是有很大的區(qū)別的，PyThreadState并非是對(duì)線程本身的模擬，因?yàn)镻ython中的線程仍然使用操作系統(tǒng)的原生線程，PyThreadState僅僅是對(duì)線程狀態(tài)的抽象。

　　在Win32下，線程是不能獨(dú)立存活的，它需要存活在進(jìn)程的環(huán)境中，而多個(gè)線程可以共享進(jìn)程的一些資源。在Python中也是一樣，如果Python程序中有兩個(gè)線程，都會(huì)進(jìn)行同樣一個(gè)動(dòng)作——import sys，那么這個(gè)sys module應(yīng)該存多少份？是全局共享還是每個(gè)線程但單獨(dú)一個(gè)sys module？如果每個(gè)線程單獨(dú)一份sys module，那么對(duì)Python內(nèi)存的消耗會(huì)非常的驚人，所以在Python中，module都是全局共享的，仿佛這些module都是進(jìn)程中的共享資源一樣，對(duì)于進(jìn)程這個(gè)概念，Python以PyInterpreterState對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　在Win32下，通常都會(huì)有多個(gè)進(jìn)程，而Python實(shí)際上也可以由多個(gè)邏輯上的interpreter存在。在通常情況下，Python只有一個(gè)interpreter，這個(gè)interpreter中維護(hù)了一個(gè)或多個(gè)的PyThreadState對(duì)象，與這些PyThreadState對(duì)象對(duì)應(yīng)的線程輪流使用一個(gè)字節(jié)碼執(zhí)行引擎。

　　現(xiàn)在，展示一下剛提到的表示進(jìn)程概念的PyInterpreterState對(duì)象和表示線程概念的PyThreadState對(duì)象：

　　pystate.h

　　在PyThreadState對(duì)象中，我們看到熟悉的PyFrameObject(_frame)對(duì)象。也就是說(shuō)，在每個(gè)PyThreadState對(duì)象中，會(huì)維護(hù)一個(gè)棧幀列表，以與PyThreadState對(duì)象的線程中的函數(shù)調(diào)用機(jī)制對(duì)應(yīng)。在Win32上，情形也是一樣，每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)函數(shù)調(diào)用棧

　　當(dāng)Python虛擬機(jī)開始執(zhí)行時(shí)，會(huì)將當(dāng)前線程狀態(tài)對(duì)象中的frame設(shè)置為當(dāng)前的執(zhí)行環(huán)境(frame)：

　　而在建立新的PyFrameObject對(duì)象時(shí)，則從當(dāng)前線程的狀態(tài)對(duì)象中取出舊的frame，建立PyFrameObject鏈表：

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本文題目：Python虛擬機(jī)框架知識(shí)點(diǎn)有哪些-創(chuàng)新互聯(lián)
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