python虚拟机运行原理
近期为了面试想要了解下python的运行原理方面的东西，奈何关于python没有找到一本类似于深入理解Java虚拟机方面的书籍，找到了一本《python源码剖析》电子书，但是觉得相对来说最近还是不打算用大布头时间研究这本书，只能先找来几篇相关的博客来阅读，记录如下：
一、过程概述
1、python先把代码(.py文件)编译成字节码，交给字节码虚拟机，然后虚拟机会从编译得到的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虚拟机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、字节码在python虚拟机程序里对应的是PyCodeObject对象；
.pyc文件是字节码在磁盘上的表现形式。
3、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。
二、关于.pyc文件
PyCodeObject对象的创建时机是模块加载的时候，即import。
1、执行 python test.py 会对test.py进行编译成字节码并解释执行，但不会生成test.pyc
2、如果test.py中加载了其他模块，如import urllib2，那么python会对urllib2.py进行编译成字节码，生成urllib2.pyc，然后对字节码解释执行。
3、如果想生成test.pyc，我们可以使用python内置模块py_compile来编译。
也可以执行命令 python -m test.py 这样，就生成了test.pyc
4、加载模块时，如果同时存在.py和.pyc，python会使用.pyc运行，如果.pyc的编译时间早于.py的时间，则重新编译.py，并更新.pyc文件。
三、关于PyCodeObject
Python代码的编译结果就是PyCodeObject对象，如下：
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;
四、执行字节码
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;
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。
参考博客：
