這是完整的程式碼檔案：程式碼

1.原始碼

當(dāng)您編寫 Python 腳本時(shí)，它是人類可讀的文字。這個(gè)原始碼是一切的起點(diǎn)。

您的 Python 原始碼以 .py 檔案編寫，是人類可讀的。此程式碼定義了程式的功能，指定變數(shù)、函數(shù)、迴圈等。

2.編譯為字節(jié)碼（編譯器）

當(dāng)你執(zhí)行Python程式時(shí)，第一步是將原始碼編譯為字節(jié)碼。這是由 Python 解釋器完成的：

• 語法檢查：確保沒有語法錯(cuò)誤。
• 編譯：將高階原始碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是一種較低階的、與平臺(tái)無關(guān)的表示形式。該字節(jié)碼通常駐留在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 檔案中。
  • 編譯器：Python 使用解釋器，但它首先將原始程式碼編譯為稱為字節(jié)碼的較低層級(jí)形式。
• 標(biāo)記化：將程式碼分解為稱為標(biāo)記的小塊（如關(guān)鍵字、運(yùn)算子、識(shí)別碼）。
• 解析：分析標(biāo)記以確保它們遵循 Python 的語法規(guī)則。
• 控制流程圖（CFG）：表示程式在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
• 字節(jié)碼產(chǎn)生：將解析後的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是Python虛擬機(jī)器（PVM）的一組指令。

讓我們深入探討一下。

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

標(biāo)記化：

• 將程式碼分解為稱為標(biāo)記的小塊（如關(guān)鍵字、運(yùn)算子、識(shí)別碼）。

1. 原始碼：從您編寫的程式碼開始。
2. 分詞器(Lexer)：這會(huì)將原始碼分解為稱為標(biāo)記的較小部分，例如關(guān)鍵字（for、if）、運(yùn)算子（、-）、識(shí)別碼（變數(shù)名稱）和文字（例如數(shù)字或字串） .
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：解析器取得這些標(biāo)記並根據(jù) Python 的語法規(guī)則檢查它們。
5. 解析樹：從標(biāo)記建構(gòu)樹結(jié)構(gòu)，表示程式碼的語法結(jié)構(gòu)。
6. 語意分析：確保程式碼在資料類型、範(fàn)圍和其他特定於上下文的規(guī)則方面有意義。
7. 控制流程圖（CFG）：表示程式在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
   • 控制流程圖：表示程式碼執(zhí)行過程中可能採取的所有可能路徑。
   • 節(jié)點(diǎn)和邊：每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)基本程式碼區(qū)塊，邊代表從一個(gè)區(qū)塊到另一個(gè)區(qū)塊的控制流。
8. 字節(jié)碼產(chǎn)生：將解析後的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是Python虛擬機(jī)器（PVM）的一組指令。
   • 字節(jié)碼是原始程式碼的更緊湊、較低層級(jí)的表示形式，並針對(duì)執(zhí)行進(jìn)行了最佳化。它獨(dú)立於平臺(tái)，這意味著它可以在任何具有相容 PVM 的系統(tǒng)上運(yùn)行。
   • 字節(jié)碼：解析後的程式碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，一種較低階的、與平臺(tái)無關(guān)的表示。
   • 指令集：此字節(jié)碼是Python虛擬機(jī)器（PVM）可以執(zhí)行的一組指令。字節(jié)碼儲(chǔ)存在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 檔案中，以加快將來的執(zhí)行速度。

3.載入字節(jié)碼（字節(jié)碼）

編譯後，Python 虛擬機(jī)器載入字節(jié)碼：

• 從快取讀取：如果字節(jié)碼之前已編譯且未更改，則從快?。╛_pycache__）讀取。這透過跳過編譯步驟來加快執(zhí)行速度。
  • 字節(jié)碼已載入到記憶體中，準(zhǔn)備執(zhí)行。然後字節(jié)碼由 PVM 執(zhí)行，解釋指令以執(zhí)行程式的任務(wù)。

4.由 PVM (PVM) 執(zhí)行

PVM 現(xiàn)在解釋並執(zhí)行字節(jié)碼：

• 指令執(zhí)行：PVM 讀取每個(gè)字節(jié)碼指令並執(zhí)行它。每條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的操作，例如載入值、執(zhí)行算術(shù)或呼叫函數(shù)。
• 記憶體管理：管理變數(shù)和物件的記憶體分配和釋放。

Python 中的記憶體管理:

1. 引用計(jì)數(shù)：Python 追蹤記憶體中物件的引用數(shù)量。當(dāng)引用計(jì)數(shù)降至零時(shí)，可以回收該物件所佔(zhàn)用的記憶體。
2. 物件分配：程式碼在運(yùn)行時(shí)在記憶體中建立 Python 物件（如整數(shù)、字串、列表）。
3. 垃圾收集：Python 有一個(gè)垃圾收集器，它透過釋放不再使用的記憶體（即引用計(jì)數(shù)為零的物件）來幫助管理記憶體。
4. 記憶體池：Python 使用記憶體池來更有效地分配小物件。這種池化有助於減少頻繁分配和釋放小塊記憶體的開銷。
5. 記憶體最佳化：Python 應(yīng)用各種最佳化來最小化記憶體使用，例如：
   • PVM 執(zhí)行各種執(zhí)行時(shí)間最佳化以提高效率，例如某些實(shí)作（如 PyPy）中的即時(shí) (JIT) 編譯。
   • 重複使用小整數(shù)和內(nèi)部字串。
   • 有效管理資料結(jié)構(gòu)（例如元組、列表、字典）。

範(fàn)例：

• 字節(jié)碼快取：PVM 快取已編譯的字節(jié)碼，以避免每次都重新編譯原始碼。這會(huì)加快後續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。
• 常數(shù)折疊：這涉及在編譯時(shí)而不是運(yùn)行時(shí)簡化常數(shù)表達(dá)式。例如，3 * 2 可能會(huì)預(yù)先計(jì)算為 6。

所以，總而言之：PVM 就像一個(gè)管弦樂團(tuán)指揮，無縫地將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為電腦可以執(zhí)行的操作。它的美妙之處在於，由於 PVM，Python 程式碼是可移植的，無需修改即可在不同平臺(tái)上運(yùn)行。

我們?nèi)绾尾榭醋止?jié)碼是否產(chǎn)生？

導(dǎo)入Python模組時(shí)，Python會(huì)將原始碼編譯為位元組碼並將其儲(chǔ)存在__pycache__目錄中。這有助於加快未來的導(dǎo)入速度，避免每次導(dǎo)入時(shí)都需要重新編譯模組。

流程如下：

• 首次導(dǎo)入：首次導(dǎo)入模組時(shí)，Python 會(huì)將 .py 檔案編譯為字節(jié)碼。
• pycache 目錄：字節(jié)碼儲(chǔ)存在 __pycache__ 目錄中，名稱類似 module_name.cpython-312.pyc。 # 312 是 Python 版本。
• 後續(xù)導(dǎo)入：在後續(xù)導(dǎo)入時(shí)，Python 會(huì)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?cè)趫?zhí)行 byte.py 後從 hello_world.py 導(dǎo)入程式碼時(shí)，我們可以看到該特定資料夾中會(huì)有一個(gè)目錄 __pycache__ ，我們可以看到 .pyc 檔案：

from hello_world import greet

greet("Byte code")

透過使用 py_compile

py_compile模組，它允許你將Python原始檔編譯成字節(jié)碼檔。這是一種加快未來運(yùn)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 模組將 hello_world.py 編譯為字節(jié)碼。
• 產(chǎn)生的字節(jié)碼儲(chǔ)存在 pycache 目錄中，建立一個(gè)名為 hello_world.cpython-38.pyc （或類似文件，取決於您的 Python 版本）的檔案。

產(chǎn)生字節(jié)碼：

• 執(zhí)行整個(gè)腳本來產(chǎn)生字節(jié)碼。這意味著任何頂級(jí)程式碼（例如 print("Hello, World!") 和 print("c")）都會(huì)在編譯過程中執(zhí)行。

產(chǎn)生的字節(jié)碼：

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

顯示模組

Python 中的 dis 模組用於將字節(jié)碼反組譯成更易讀的形式。這可以幫助您了解 Python 程式碼在幕後的用途。它對(duì)於調(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')

• 程式首先導(dǎo)入 dis 模組，這是一個(gè)用於分析 CPython 字節(jié)碼的強(qiáng)大工具。 CPython 是 Python 的預(yù)設(shè)實(shí)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(gè)名為greet的簡單函數(shù)。此函數(shù)接受參數(shù)名稱並列印出問候語。儘管函數(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複雜。
• disassemble_function 函數(shù)使用 dis.dis() 來反組譯greet函數(shù)。 dis.dis() 將 Python 函數(shù)轉(zhuǎn)換為 Python 虛擬機(jī)器實(shí)際執(zhí)行的低階位元組碼。這個(gè)字節(jié)碼是Python對(duì)greet函數(shù)的解釋，更接近機(jī)器碼。
• 當(dāng)腳本呼叫 disassemble_function() 時(shí)，控制臺(tái)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)：此操作碼用於載入全域變量，在本例中是列印函數(shù)。
• LOAD_CONST(1)：這會(huì)將常數(shù)值「Hello,」載入到堆疊上。
• LOAD_FAST(0)：此操作碼將局部變數(shù)名稱載入到堆疊上。
• FORMAT_VALUE(0)：這會(huì)格式化我們的名稱字串，準(zhǔn)備將其插入即將建置的字串中。
• BUILD_STRING(2)：這採用堆疊上的前兩個(gè)值（「Hello，」和名稱）並建立最終字串。
• CALL_FUNCTION(1)：這一行呼叫函數(shù)（我們載入到堆疊上的全域列印函數(shù)），參數(shù)計(jì)數(shù)位於括號(hào)中（我們有一個(gè)參數(shù)，即我們的格式化字串）。
• POP_TOP：這會(huì)刪除堆疊頂部（上一次呼叫的結(jié)果，因?yàn)?print 傳回 None）。
• LOAD_CONST(0)：不載入。
• RETURN_VALUE：這是greet函數(shù)的回傳值，由於沒有明確的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(shí)執(zhí)行的各個(gè)操作。理解這些指令對(duì)於開發(fā)人員理解 Python 如何執(zhí)行程式碼、最佳化函數(shù)和管理資源至關(guān)重要 - 當(dāng)我們運(yùn)行 Python 程式碼時(shí)，所有這些都在幕後無縫地發(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)編碼並繼續(xù)探索該語言引擎室的深度？ ！

以上是Python 的內(nèi)部運(yùn)作原理的詳細(xì)內(nèi)容。更多資訊請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！