Python程序运行原理

本章主要回答：

Python程序运行时究竟发生了什么？

Python虚拟机做了什么工作？

从一个简单的例子看起，在同一个目录下创建两个文件，分别为myfun.py和test.py

通过python编译执行test.py这个程序

获得如下结果

这里使用的是python3.6，运行完这个程序后，会出现_pycache_这个文件夹，里面存放了经过python编译后的pyc文件

python在背后做了什么？

python将.py文件看成一个module(模块)，这些module中有一个主module作为程序的入口，上面的实例中，主module就是test.py，因为我们使用了 python test.py 这个命令

执行 python test.py 后，python解释器(Cpython)会将test.py编译成一个字节码对象PyCodeObject，在Python中一切都是对象，python解释器编译出来的字节码也是对象，而我们看见的.pyc文件其实就是PyChodeObject这个字节对象在硬盘上的表现形式

一般说python解释器指的就是Cpython这个解释器，它有C语言实现，除了Cpython外，还有Jython解释器，有Java实现，PyPy解释器，由Python本身实现的解释器

在python代码运行期间，PyCodeObject对象只会存在内容中，只有到这个module下的python代码执行完后，才会将编译结果（PyCodeObject对象）保存到pyc文件中，下次运行时，就不需要编译了，直接加载到内存汇总就好，pyc文件只是PyCodeObject对象在硬盘上的表现形式

PyCodeObject对象包含了Python代码汇总所有的字符串、常量值、以及通过语法解析后编译生成的字节码指令。同时PyCodeObject还会存放这些字节码指令与原始代码行号之间的对应关系，这样当代码出现异常时，就可以指明代码在哪里报错了

我们可以通过dis这个python标准库来获得代码对应的字节码，这些字节码就是PyCodeObject对象中的内容（也是pyc文件中的内容）

之所以要通过dis库是因为pyc文件中存储的是二进制字节数据，无法直接阅读

我们可以通过下面的代码生成 test.py 文件中对应的字节码指令

结果如下：

test.py中的代码总共就是15行，如下图：

上面编译出来的字节码其实也就是15个区块，每个区块都对应着一行代码

当test.py被python编译器编译后，Python虚拟机会从编译得到的PyCodeObject对象中依次读入每一条字节码指令，在当前的上下文环境中执行这条字节码，Python程序就这样跑起来了。

pyc文件

大体明白了Python代码运行流程后，再来挖掘一些细节，如：

为什么上面的代码分明运行的是test.py文件生成的却是myfun.py文件的pyc呢？

myfun.py文件对应的pyc再什么时候需要再次生成？

在一个pyc文件中，包含了三部分内容，分别是：

python的magic number（类似于python版本号）

pyc文件创建时间信息

PyCodeObject对象

magic number是Python定义的一个整数值，一般说，不同版本的python都会定义不同的magic number，目的是保证python的兼容性。因为不同版本的python生成的字节码可能不同，所以每次python运行时，解释器都要检查magic number是否与当前运行版本python的magic number不同，如果不做检查，python虚拟机执行时就可能会报错

pyc文件创建时间信息主要的作用就是判断pyc文件是否需要重新生成，在运行python代码时，如果python发现已经存在相应的pyc，就会去检查对应python文件的修改时间，如果pyc文件的创建时间与python文件的修改时间不同，说明python文件发生了变动，此时就会重新生成pyc文件

PyCodeObject对象就不多讲了

那为啥不生成test.py的pyc文件呢？

在test.py中我们使用了内置属性_name_，python程序在运行时，会自动为每个module都设置_name_属性，通常的作用就是这个module的名字，也就是文件名，唯一的例外就是主module，主module会的_name_会被设置为_main_。

利用这个特性，我们可以通过对不同的模块进行测试，当这个模块以主模块运行时，if _name_== '_main_'下的代码就会执行，而当我们import该模块时，if _name_== '_main_'下的代码不会执行

python只会对那些以后可能会被继续使用和载入的module生成pyc文件，python认为import指令对应的module属于这类，所以myfun.py生成了相应的pyc文件，而那些临时只使用一次的模块不会生成pyc，python将主模块当成这种类型的文件，这也就是test.py不会生成pyc文件的原因

通过下面命令来验证上面的说法

先删除_pycache_文件夹，然后再用python myfun.py命令运行myfun.py，将myfun.py当做主module时，看看是否会生成pyc文件，结果是没有生成

小结

本章简单的介绍了python程序的运行原理，这些原理性的东西，除了阅读源码，还有看python源码解析书籍这条捷径

推荐：Python源码剖析

参考：谈谈 Python 程序的运行原理