如何理解Python虚拟机中的Python运行环境

今天就跟大家聊聊有关如何理解Python虚拟机中的Python运行环境，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

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其实Python运行环境是一个全局性的概念，而执行环境实际就是一个栈帧，是Code Block对应的概念，两者之间存在着本质上的区别，在以后的运行操作过程中就可以了解到他们呢两者之间的不同。

运行时环境的初始化过程非常地复杂，后面将用单独的一章来剖析，这里假设初始化的动作已经完成，我们已经站在了Python虚拟机的门槛外，只需要轻轻推动一下***张骨牌，整个执行过程就像多米诺骨牌一样，一环扣一环地展开。

这个推动***张骨牌的地方在一个名叫PyEval_EvalFramEx的函数中，这个函数实际上就是Python的虚拟机的具体实现，它是一个非常巨大的函数，因此我们在列出其中的源代码时和以前有些不同。

PyEval_EvalFrameEx首先会初始化一些变量，其中PyFrameObject对象中的PyCodeObject对象包含的重要信息都被照顾到了。当然，另一个重要的动作就是初始化了堆栈的栈顶指针，使其指向f->f_stacktop：

[PyEval_EvalFrameEx in ceval.c]           co = f->f_code;       names = co->co_names;       coconsts = co->co_consts;       ffastlocals = f->f_localsplus;       ffreevars = f->f_localsplus + co->co_nlocals;       first_instr = (unsigned char*)PyString_AS_STRING(co->co_code);       next_instr = first_instr + f->f_lasti + 1;       stack_pointer = f->f_stacktop;       f->f_stacktop = NULL;   /* remains NULL unless yield suspends frame */

前面我们说过，在PyCodeObject对象的co_code域中保存着字节码指令和字节码指令的参数，Python虚拟机执行字节码指令序列的过程就是从头到尾遍历整个co_code、依次执行字节码指令的过程。

在Python运行环境的虚拟机中，利用3个变量来完成整个遍历过程。co_code实际上是一个PyStringObject对象，而其中的字符数组才是真正有意义的东西。这也就是说，整个字节码指令序列实际上就是一个在C中普普通通的字符数组。因此，遍历过程中所使用的这3个变量都是char*类型的变量：first_instr永远指向字节码指令序列的开始位置；

next_instr永远指向下一条待执行的字节码指令的位置；f_lasti指向上一条已经执行过的字节码指令的位置。展示了这3个变量在遍历中某时刻的情形：

[ceval.c]   /* Interpreter main loop */   PyObject* PyEval_EvalFrameEx(PyFrameObject *f, int throwflag)   {       ……       why = WHY_NOT;       ……       for (;;) {       ……       fast_next_opcode:           f->f_lasti = INSTR_OFFSET();           //获得字节码指令           opcode = NEXTOP();           oparg = 0;           //如果指令需要参数，获得指令参数           if (HAS_ARG(opcode))               oparg = NEXTARG();      dispatch_opcode:           switch (opcode) {           case NOP:               goto fast_next_opcode;           case LOAD_FAST:               ……           }   }

那么这个一步一步的动作是如何完成的呢，我们来看一看Python运行环境执行字节码指令的整体架构，其实就是一个for循环加上一个巨大的switch/case结构，熟悉Windows SDK编程的朋友可以想象一下Windows下那个巨大的消息循环，就是那样的结构。在对PyCodeObject对象的分析中我们说过，Python的字节码有的是带参数的，有的是没有参数的，而判断是否带参字节码是通过HAS_ARG这个宏实现的。

注意，对不同的字节码指令，由于存在是否需要指令参数的区别，所以next_instr的位移可能是不同的。但是无论如何，next_instr总是指向Python下一条要执行的字节码，这很像x86平台上的那个PC寄存器。

Python在获得了一条字节码指令和其需要的指令参数后，会对字节码指令利用switch进行判断，根据判断的结果选择不同的case语句，每一条字节码指令都会对应一个case语句。在case语句中，就是Python对字节码指令的实现。

在成功执行完一条字节码指令后，Python运行环境的执行流程会跳转到fast_next_opcode处，或者是for循环处，不管如何，Python接下来的动作都是获得下一条字节码指令和指令参数，完成对下一条指令的执行。如此一条一条地遍历co_code中包含的所有字节码指令，最终完成了对Python程序的执行。

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文章名称：如何理解Python虚拟机中的Python运行环境
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