python虚拟机
Posted
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了python虚拟机相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
翻译自《Python Virtual Machine》
Python 虚拟机
每个函数对象都和以下的三个结构：
1。包含参数的局部变量名称(in .__code__.varnames)
2。全局变量名称(in .__code__.co_names)
3。常数(in .__code__.co_consts)
在python定义函数的时候创建这些结构，它们被定义在函数对应的__code__对象。
如果我们定义如下：
Def minimum(alist):
m=None if let(alist) ==0 else Alist[0]
for v in alist[1:]:
if vim:
m = v
return m
我们得到
minimum.__code__.co_varnames is (‘alist‘,‘m‘,‘v‘)
minimum.__code__.co_names is (‘len‘,‘None‘)
minimum.__code__.co_consts is (None,0,1)
用于索引的数字+load 运算符（LOAD_FAST、LOAD_GLOBAL、LOAD_CONST都会在之后讨论）。
在PVM中主要的数据结构式“regular”栈（由一连串的push、pop组成）。对栈的主要操作就是load／push和store／pop。我们在栈顶load／push一个值，栈向上扩展，伴随着栈指针上移指向栈顶。同样，store／pop一个栈顶值时，栈指针下移。
还有一个次要的block栈用于从循环嵌套、try和指令中取出值。比如，一个断点指令在block栈中被编码，用于判断哪个循环块被n断下（并如何继续执行循环外的指令）。当循环，try/except和指令开始执行时，他们的信息被push到block栈上；当它们结束时从堆栈上弹出。这种块block stack对于现在来说太过麻烦，不必要去理解：所以当我们遇到有关block stack 的指令时，会指出将其忽略的原因。
这儿有个有关栈操作的简单例子，计算 d=a+b*c。假设a、b、c、d都是一个函数中的局部变量：co_varnames =(‘a‘,‘b‘,‘c‘,‘d‘)且这些符号对应的实际值被存放在并行元组中：(1,2,3,none)。符号在元组中的位置与其值在元组的位置是一一对应的。
LOAD_FAST N
load/push 将co_varnames[N]对应的值压入栈，stackp+=1,stack[stackp] = co_varnames[N]
STORE_FAST N
store/pop 将栈顶的值放入co_varnames[N], co_varnames[N] = stack[stackp], stackp-=1
BINARY_MULTIPLY
将‘*’的两个运算数压入栈，stack[stackp-1]=stack[stackp-1]*stack[stack];stackp-=1(将栈顶的两个值转化为它们的乘积)
BINARY_ADD
将‘+’的两个运算数压入栈，stack[stackp-1]=stack[stackp-1]+stack[stack];stackp-=1(将栈顶的两个值转化为它们的和)
d = a+b*c 的PVM code：
LOAD_FAST 0
LOAD_FAST 1
LOAD_FAST 2
BINARY_MULTIPLY
BINARY_ADD
STORE_FAST 3
初始状态：
co_varnames =(‘a‘,‘b‘,‘c‘,‘d‘)
values=(1,2,3,none)
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | |
+--------------------+
0 | |
+--------------------+
stack (with stackp=-1,it is an empty stack)
LOAD_FAST 0:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | |
+--------------------+
0 | 1: value of a |
+--------------------+
stack(with stackp=0)
LOAD_FAST 1:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | 2： value of b |
+--------------------+
0 | 1： value of a |
+--------------------+
stack (with stackp=1)
LOAD_FAST 2:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | 3： value of c |
+--------------------+
1 | 2： value of b |
+--------------------+
0 | 1： value of a |
+--------------------+
stack (with stackp=2)
BINARY_MULTIPLY:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | 6： value of b*c |
+--------------------+
0 | 1： value of a |
+--------------------+
stack (with stackp=1)
BINARY_ADD:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | |
+--------------------+
0 | 7： value of a+b*c |
+--------------------+
stack (with stackp=0)
STORE_FAST 3:
+--------------------+
3 | |
+--------------------+
2 | |
+--------------------+
1 | |
+--------------------+
0 | |
+--------------------+
stack (with stackp=-1)
co_varnames =(‘a‘,‘b‘,‘c‘,‘d‘)
values=(1,2,3,7)
PVM的控制流
在PVM的每个指令都包含了1~3字节的信息。第一个字节是操作标识或字节码，后面的两字节是字节码的操作数（但并不是所有的字节码都需要操作数：BINARY_ADD就不需要）。两字节能够表示0~65536：所以python的函数中不能有超过65536个不同的局部变量。
指令被储存在内存中：把内存也看作一种储存有次序的数据的列表结构。
Memory Instruction
Location
0 LOAD_FAST 0
3 LOAD_FAST 1
6 LOAD_FAST 2
9 BINARY_MULTIPLY
10 BINARY_ADD
11 STORE_FAST 3
把内存列表命名为m
第一条指令被存储在m[0]，后一指令存储在高3或高1的位置处（占3字节：有些指令有明确操作数的：load/store。有些指令有隐含的操作数：stack 、pc。占1字节：没有操作数的指令：binary运算）
一旦这些指令被加载进内存后，PVM按照一个简单的规则执行他们。执行周期赋予了计算机生命，这是计算机科学的基础。
（1）从m [pc]开始获取操作及其操作数（如果存在）
（2）pc + = 3（如果操作数存在）或pc + = 1（如果没有操作数存在）
（3）执行操作码（可能更改其操作数，堆栈，堆栈或pc）
（4）转到步骤1
一些运算会操作stack/stackp和存变量值的元组，一些会改变pc（比如jump指令）。
所以pc初始时0，PVM执行上述代码以以下流程：
1.获取操作m [0]，操作数m [1]和m [2]
2.将pc递增至3
3.操纵堆栈（见上文）
4.回到步骤1
1.取m [3]的操作，m [4]和m [5]
2.将pc增加到6
3.操纵堆栈（见上文）
4.回到步骤1
1.取m [6]和m [7]和m [8]的操作数，
2.将pc增加到9
3.操纵堆栈（见上文）
4.回到步骤1
1.获取操作a m [9]：它没有操作数
2.将pc增加到10
3.操纵堆栈（见上文）
4.回到步骤1
1.获取操作m [10]：它没有操作数
2.将pc增加到11
3.操纵堆栈（见上文）
4.回到步骤1
内存中指向此处时，没有代码可以执行。在下一个例子中我们可以看到PVM如何执行一个更复杂的代码。
如简要介绍的那样，我们可以用dis.py模块中使用dis函数打印任何Python函数（和模块/类也可以）的注释描述;这里我们打印函数。
def addup(alist):
sum=0
for v in alist:
sum = sum + v
return sum
这个例子用来显示一般函数对象的有用的信息（它的名称，它的三个元组，和反编译信息）
def func_obj(fo):
print(fo.__name__)
print(‘ co_varnames:‘,fo.__code__.co_varnames)
print(‘ co_names :‘,fo.__code__.co_names)
print(‘ co_consts :‘,fo.__code__.co_consts,‘\n‘)
print(‘Source Line m operation/byte-code operand (useful name/number)\n‘+69*‘-‘)
dis.dis(fo)
calling func_obj(addup) prints
addup
co_varnames: (‘alist‘, ‘sum‘, ‘v‘)
co_names : ()
co_consts : (None, 0)
Source Line m op/byte-code operand (useful name/number)
---------------------------------------------------------------------
2 0 LOAD_CONST 1 (0)
3 STORE_FAST 1 (sum)
3 6 SETUP_LOOP 24 (to 33)
9 LOAD_FAST 0 (alist)
12 GET_ITER
>> 13 FOR_ITER 16 (to 32)
16 STORE_FAST 2 (v)
4 19 LOAD_FAST 1 (sum)
22 LOAD_FAST 2 (v)
25 BINARY_ADD
26 STORE_FAST 1 (sum)
29 JUMP_ABSOLUTE 13
>> 32 POP_BLOCK
5 >> 33 LOAD_FAST 1 (sum)
36 RETURN_VALUE
有>>标识的行说明有其他指令会jump到此行。
更详细的描述：
第2行：
m [0]：在堆栈上加载值0（co_consts [1]）
m [3]：将值0存入sum（co_varnames [1]）
第3行：
m [6]：通过将循环的大小推到块堆栈来设置循环
（回想一下，我们不会对块堆栈做任何事情）
m [9]：在堆栈中加载alist（co_varnames [0]）的值
m [12]：通过迭代器替换堆栈上的值（通过弹出和推送）
m [13]：在堆栈中加载下一个迭代器值，如果StopIteration引起，则跳转到m [32]
（m [29]中的代码跳回此位置进行循环）
m [16]：将下一个值存储到v（co_varnames [2]）中，将其从堆栈中弹出
第4行：
m [19]：在堆栈中加载sum（co_varnames [1]）的值
m [22]：将v（co_varnames [2]）的值加载到堆栈上
m [25]：从堆栈中删除/添加两个值，将结果推送到堆栈
m [26]：将值存储在sum（co_varnames [1]）中，将其从堆栈中弹出
m [29]：将pc设置为13，因此在m [13]中执行的下一条指令
（跳回到前一个位置使循环循环）
m [32]：弹出什么m [6]推到块堆栈上
（回想一下，我们不会对块堆栈做任何事情）
（m [13]中的代码在这里跳转到StopIteration，终止循环）
第5行：
m [33]：加载堆栈上的sum（co_varnames [1]）的值返回
m [36]：从函数返回结果在堆栈顶部
以上是关于python虚拟机的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章