Python的内部：简介

一位朋友曾对我说：你知道吗，对某些人来说，C语言只是一堆扩展成汇编语言的宏。那是几年前的事了(聪明人：也是在llvm之前，好吗？)，但这句话让我印象深刻。Kernighan和Ritchie真的看了一个C程序，看到了汇编代码吗？蒂姆·伯纳斯·李上网和你我有什么不同吗？而且，当基努·里夫斯看着那些时髦的绿色胡言乱语汤时，他到底看到了什么？不，说真的，他在那里到底看到了什么？！嗯，回到节目上来。不管怎样，在Guido van Rossum的1只眼睛里，蟒蛇是什么样子的？

这篇文章标志着关于Python内部的系列文章的开始，我之所以写这篇文章，是因为我相信解释一些东西是理解它的最好方式，我非常希望能够在阅读Python代码的同时能够可视化更多的Python的“时髦的绿色胡言乱语汤”。课程内容主要是CPython，主要是py3k，主要是字节码计算(我不是一个很喜欢编译的人)-但实际上执行Python和类似Python的代码(Unladen Swallow、Jython、Cython等)的所有内容在本系列中都可能会被证明是公平的。为了简洁和理智起见，除非另有说明，否则当我提到Python时，我指的是CPython。除非另有说明，否则我还假设使用类似POSIX的操作系统或Linux(如果重要的话)。如果您想了解Python是如何工作的，您应该阅读本文。如果您想为CPython做贡献，您应该阅读本文。你应该读一下这篇文章，找出我会犯的所有错误，在背后嘲笑我，或者写下嘲讽的评论。我知道这只是你表达感情的特殊方式。

我想我会从Python的源代码或者偶尔从其他很好的材料(文档，特别是这个和那个、某些PyCon讲座、搜索python-dev等)中收集我所写的几乎所有内容。一切都在那里，但我真的希望我的努力将所有这些都放在一个你可以RSS订阅的地方，这会让你的旅程变得更容易。我假设读者了解一些C语言，一些操作系统理论，略低于一些汇编(任何架构)，略多于一些Python，并且具有合理的UNIX适应性(即，感觉从源安装一些东西很舒服)。如果你对其中一个(或多个)不是相当熟悉，不要害怕，但我也不能保证一帆风顺。此外，如果您没有可以正常工作的工具链来进行Python开发，也许您会想转到这里，按照第二段(以及以后的段落，视情况而定)中所说的去做。

让我们从一些我假设您已经知道的事情开始，但我认为重要的是，至少对我理解…的主要方式而言是如此。嗯，我所理解的一切。我看着它就像在看一台机器。对于Python来说，这很简单，因为Python依赖于虚拟机来完成它所做的事情(就像许多其他解释语言一样)。请确保您在此上下文中正确理解了“虚拟机”：更像JVM而不是VirtualBox(从技术上讲，它们是相同的，但在现实世界中，我们通常将这两种VM区分开来)。我发现最容易理解的字面意思是“虚拟机”--它是一台由软件构建的机器。你的CPU只是一台复杂的电子机器，它接收所有的输入(机器代码，数据)，它有一个状态(寄存器)，根据输入和它的状态，它会输出东西(到RAM或总线)，对吗？嗯，CPython是一台由软件组件构建的机器，它具有状态并处理指令(不同的实现可能使用相当不同的指令)。此软件机器在托管Python解释器的进程中运行。记住这一点；我喜欢机器的比喻(正如我在这里详细解释的那样)。

也就是说，让我们从鸟瞰开始，了解一下执行此操作时会发生什么：$python-c&39；print("；Hello，world！"；)'；。Python的二进制代码被执行，几乎所有进程都会执行标准C库初始化，然后Main函数开始执行(参见其源代码./Modules/python.c：main，它很快就会调用./Modules/main.c：py_main)。在一些普通的初始化工作(解析参数、查看环境变量是否应该影响行为、评估标准流的情况并采取相应操作等)之后，./python/pythonrun.c：py_Initialize被调用。在很多方面，这个函数就是“构建”和组装运行CPython机器所需的组件，并将“一个进程”变成“一个带有Python解释器的进程”。其中，它创建了两个非常重要的Python数据结构：解释器状态和线程状态。它还创建内置模块sys和托管所有内置模块的模块。在稍后的帖子中，我们将深入讨论所有这些内容。

准备就绪后，Python将根据其执行方式执行以下几项操作中的一项。粗略地说，它要么执行字符串(-c选项)，要么将模块作为可执行文件执行(-m选项)，或者执行文件(pass

PyEval_EvalFrameEx获取帧，在操作码之后提取操作码(以及操作数，如果有操作数，我们将了解到这一点)，并执行与操作码匹配的一小段C代码。让我们通过反汇编一些已编译的Python代码来更仔细地了解这些“操作码”是什么样子：

…。即使不太了解Python的字节码，这也是相当可读的。您“加载”了名称“鸡蛋”(您从哪里加载它？你把它装到哪里？不久)，并且还加载一个常量值(1)，然后执行“二进制减法”(在此上下文中“二进制”是什么意思？在哪些操作数之间？)，以此类推。正如您可能已经猜到的那样，名称是从我们前面看到的全局和局部名称空间“加载”的，并且它们被加载到一个操作数堆栈(不要与正在运行的帧的堆栈混淆)，这正是二进制减法将从其中弹出它们的位置，从另一个中减去一个，然后将结果放回那个堆栈中。“二进制减法”只是表示这是一个具有两个操作数的减法操作码(因此它是“二进制”的，这并不是说操作数是由“0”和“1”组成的二进制数)。

您可以自己查看PyEval_EvalFrameEx at./python/ceval.c，它无论如何都不是一个小函数。出于实际原因，我不能在这里粘贴太多代码，但我将只粘贴在找到BINARY_SUBTRACT操作码时运行的代码，我认为它确实说明了问题：

…。弹出一些东西，取(操作数堆栈的)顶部，对这些事情调用一个名为PyNumber_Subtract()的C函数，在这两个操作上做一些我们仍然不理解(但会在适当的时候)称为“Py_DECREF”的操作，将堆栈的顶部设置为减法的结果(覆盖以前的顶部)，然后做一些我们不理解的事情(如果x不为NULL)，即执行“分派”。因此，虽然我们有一些不理解的东西，但我认为在Python中如何在尽可能低的级别上将两个数字相减是非常明显的。我们也只用了1500个字就到了这里！

在执行框架并返回PyRun_SimpleStringFlags之后，Main函数进行一些清理(特别是Py_Finalize，我们将讨论这一点)，完成标准C库反初始化工作(atexit等)，然后进程退出。

我希望这能给我们一个“足够好”的概述，稍后我们可以将其作为脚手架，在后面的帖子中，我们将对Python的各个领域进行更具体的讨论。我们承诺要回到相当多的术语上：解释器和线程状态、名称空间、模块和内置、代码和框架对象，以及那些我们在BINARY_SUBTRACT的实现中不理解的DECREF和分派行。还有一个非常重要的“幻影”术语，我们在本文中一直在讨论，但没有使用名称-对象。CPython的对象系统是理解其工作原理的核心，我认为我们将在本系列的下一篇文章中详细介绍这一点。敬请关注。

1请注意，除非明确说明，否则本系列不支持或附属于任何人。另外，请注意，虽然Python是由Guido van Rossum发起的，但多年来很多人为它和衍生项目做出了贡献。我从来没有问过Guido，也没有问过他们，但我确信Python对这些贡献者中的许多人来说并不比Guido看得更清楚。

很棒的帖子-写得很好，主题很吸引人。关于Python内部结构的系列承诺让我立即将您的博客添加到我的RSS阅读器中：-)

我还写了一些关于Python的内部结构(http://eli.thegreenplace.net/2009/11/28/python-internals-working-with-python-asts/))的文章，并计划写更多-重点放在编译方面，这是我非常喜欢的，所以我们的材料可能会成为补充。

对于Tim在Web上的观点来说，好消息是，它可以在Web上访问。：)蒂姆在很长一段时间里一直在写一本关于Web架构和哲学的日记。

非常酷的东西，是的，相当多的人应该从这类文章中学到一些东西。

很棒的帖子，但是因为这个系列的RET会一样长，请停止使用低对比度的灰色字体。

与我相比，您包含了更多特定于实现的细节(这显然是重点的一部分)，但我认为许多核心概念将是共同的(也是重要的)。

[…]。安德鲁·格里夫，弗兰克·沃斯利和本·莫兰，克里斯托夫·拉兰在推特上提到了这篇帖子。Christophe Lalanne说：rt@benm：这是Yaniv Aknin关于PythonKindle内部的一系列很好的博客，如http://bit.ly/hmEJvy的电子书：http://b…。[…]。

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