[笔记]Python虚拟机的运行时基本知识
首先应该了解程序的运行时刻环境，个人觉得龙书中文版第7章挺通俗易懂的。Python在这方面设计了PyFrameObject这个结构（对应于龙书中的“活动记录”）来维护运行时环境，并采用了“访问链”的思想（龙书中介绍了“访问链”和“显示表”）来解决不同作用域间变量的访问问题。
不过在PyFrameObject中维护了3个成员，用来指向最经常使用的3个符号表，内置符号表、全局符号表、局部符号表：
PyObject *f_builtins; /* builtin symbol table (PyDictObject) */
PyObject *f_globals; /* global symbol table (PyDictObject) */
PyObject *f_locals; /* local symbol table (any mapping) */
这样可以避免在访问全局变量、内建变量时还要通过“访问链”上的回溯来搜索。
PyFrameObject通过如下成员来维护“访问链”（或者称“符号表链”、“名字空间链”）：
struct _frame *f_back; /* previous frame, or NULL */
关于Python的作用域，有一些规则。
最内嵌套作用域规则：由一个赋值语句引进的名字在这个赋值语句所在的作用域里是可见（起作用）的，而且在其内部嵌套的每个作用域里也可见，除非它被嵌套于内部的，引进同样名字的另一条赋值语句所遮蔽/覆盖。
LEGB：符号表的搜索顺序是Local -> Enclosing Function -> Global -> Built-in
一个比较常见而且经典的案例是UnboundLocalError，见如下代码：
x = 10
def foo():
print(x)
x += 1
foo()
这一段代码会出现如下错误：
UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment
这个问题可以用下面两段话来解答：
This is because when you make an assignment to a variable in a scope, that variable becomes local to that scope and shadows any similarly named variable in the outer scope. Since the last statement in foo assigns a new value
tox, the compiler recognizes it as a local variable. Consequently when the earlierprintxattempts
to print the uninitialized local variable and an error results.
URL:http://docs.python.org/faq/programming.html#why-am-i-getting-an-unboundlocalerror-when-the-variable-has-a-value
Otherwise, all variables found outside of the innermost scope areread-only(an attempt to write to such a variable will simply create anewlocal
variable in the innermost scope, leaving the identically named outer variable unchanged).
URL:http://docs.python.org/tutorial/classes.html#python-scopes-and-namespaces
第二个URL，即官方文档也说明了LEGB规则：
[*]the innermost scope, which is searched first, contains the local names
[*]the scopes of any enclosing functions, which are searched starting with the nearest enclosing scope, contains non-local, but also non-global names
[*]the next-to-last scope contains the current module’s global names
[*]the outermost scope (searched last) is the namespace containing built-in names
上面讨论了帧对象PyFrameObject和作用域、符号表等，下面是比较大的概念：关于Python虚拟机的运行时环境。
虚拟机的具体实现位于ceval.c中的PyEval_EvalFrameEx函数中。
函数开头首先定义了如下变量：
register PyObject **stack_pointer;/* Next free slot in value stack */
register unsigned char *next_instr;
register int opcode; /* Current opcode */
register int oparg; /* Current opcode argument, if any */
register enum why_code why; /* Reason for block stack unwind */
含义可以从注释中看出，比如next_instr表示下一条指令，why表示栈展开的原因。
PyEval_EvalFrameEx是一个非常庞大的函数，拥有庞大的switch/case语句数目来执行各种指令。
函数中提供了几个访问指令的宏：
/* Code access macros */
#define INSTR_OFFSET()((int)(next_instr - first_instr))
#define NEXTOP() (*next_instr++)
#define NEXTARG() (next_instr += 2, (next_instr[-1]<<8) + next_instr[-2])
#define PEEKARG() ((next_instr<<8) + next_instr)
#define JUMPTO(x) (next_instr = first_instr + (x))
#define JUMPBY(x) (next_instr += (x))
此外，在运行时需要涉及的还有线程和进程，Python使用的是系统原生的线程/进程，并使用PyThreadState和PyInterpreterState对象来进行抽象和维护。
在PyEval_EvalFrameEx函数开头，也定义了tstate变量，并把当前线程状态赋值给该变量：
PyThreadState *tstate = PyThreadState_GET();
接着设置线程状态对象中的帧：
tstate->frame = f;
然后再设置帧的一些信息：
co = f->f_code;
names = co->co_names;
consts = co->co_consts;
fastlocals = f->f_localsplus;
freevars = 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;
assert(stack_pointer != NULL);
f->f_stacktop = NULL; /* remains NULL unless yield suspends frame */
最后，进入switch/case：
switch (opcode) {
P.S. “访问链”的形成是在PyFrame_New函数中，帧的f_back成员指向当前线程状态对象的frame成员。
JasonLee 2011.08.20 20:18
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