【Python旧时笔记 八】Python虚拟机的运行时基本知识

xiyou

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 valuetox, the compiler recognizes it as a local variable. Consequently when the earlierprintxattemptsto 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 anewlocalvariable 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：
registerPyObject**stack_pointer;/*Next free slot in value stack */
registerunsignedchar*next_instr;
registerintopcode;/*Current opcode */
registerintoparg;/*Current opcode argument, if any */
registerenumwhy_codewhy;/*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 */


#defineINSTR_OFFSET()((int)(next_instr-first_instr))
#defineNEXTOP()(*next_instr++)
#defineNEXTARG()(next_instr+=2,(next_instr[-1]<<8)+next_instr[-2])
#definePEEKARG()((next_instr[2]<<8)+next_instr[1])
#defineJUMPTO(x)(next_instr=first_instr+(x))
#defineJUMPBY(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=(unsignedchar*)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