iis服务器助手广告广告
返回顶部
首页 > 资讯 > 后端开发 > Python >Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么
  • 446
分享到

Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

2023-07-05 15:07:11 446人浏览 薄情痞子

Python 官方文档:入门教程 => 点击学习

摘要

本篇内容主要讲解“python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习“Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”吧!Python虚拟机问题:在 Pyth

本篇内容主要讲解“python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”吧!

    Python虚拟机

    问题:

    在 Python 程序执行过程与字节码中,我们研究了Python程序的编译过程:通过Python解释器中的编译器对 Python 源码进行编译,最终获得代码对象 PyCodeObject 。编译器根据语法规则对源码进行作用域的划分,并以此为单位来编译源码,最终为每个作用域生成一个代码对象。代码对象则保存了字节码,以及相关名字、常量等静态上下文信息。

    1. 栈帧对象

    1.1 PyFrameObject

    • 当 Python 解释器加载一个模块或者执行函数时,会为对应的 PyCodeObject 创建一个 PyFrameObject 对象,并将其压入 Python 解释器的执行栈中。以函数为例,PyFrameObject 对象表示函数调用的栈帧对象,它包含了函数调用时的所有状态信息,包括局部变量、栈、当前指令等信息。

    具体地我们来看一下执行上下文的具体结构——PyFrameObject,源码如下:

    typedef struct _frame {    PyObject_VAR_HEAD    struct _frame *f_back;          PyCodeObject *f_code;           PyObject *f_builtins;           PyObject *f_globals;            PyObject *f_locals;             PyObject **f_valuestack;            PyObject **f_stacktop;    PyObject *f_trace;              char f_trace_lines;             char f_trace_opcodes;               PyObject *f_gen;    int f_lasti;                        int f_lineno;                   int f_iblock;                   char f_executing;               PyTryBlock f_blockstack[CO_MAXBLOCKS];     PyObject *f_localsplus[1];  } PyFrameObject;

    源码分析(只列出重要字段):

    思考:PyFrameObject为什么没有记录闭包信息?

    • f_back:表示当前栈帧的前一个栈帧,即调用当前函数的函数的栈帧。Python解释器使用这个字段来实现函数调用的递归和返回。如果当前函数是最外层函数,即没有调用它的函数,则该字段为NULL。

    • f_code:表示当前栈帧对应的 PyCodeObject 对象,即当前函数的字节码和相关信息。Python 解释器使用这个字段来执行函数中的字节码指令。

    • f_builtins:表示当前栈帧的内建变量字典,即当前函数中访问的所有内建函数和对象的名称和值。Python 解释器使用这个字段来实现对内建函数和对象的访问。

    • f_locals:表示当前栈帧的局部变量字典,即当前函数的所有局部变量的名称和值。Python 解释器使用这个字段来实现变量的读取和写入操作。

    • f_lasti:表示当前栈帧执行的最后一条指令的指令码在字节码序列中的索引。Python 解释器使用这个字段来记录当前函数执行的进度,以便在函数被中断或者函数返回时,能够恢复到正确的执行位置。

    • f_lineno:表示当前栈帧执行的源代码行号。Python 解释器使用这个字段来跟踪当前函数的行号,以便在发生异常时能够提供更准确的错误信息。

    • f_localsplus:表示当前栈帧的栈顶指针,即当前函数调用的栈的顶部。Python 解释器使用这个字段来实现函数调用的参数传递和返回值传递。

    • PyFrameObject 对象本身不记录闭包相关的信息是出于设计上的考虑。一个主要的原因是为了保持执行栈的简洁性和高效性。

    • 闭包是一种在 Python 中广泛使用的编程模式,但是它在实现上是比较复杂的。在解释器执行 Python 代码时,一个函数在定义时可能没有引用外部变量,但是在运行时却可能引用了。因此,如果要记录函数中使用的外部变量,就需要在运行时动态地创建一个闭包对象,并将其与函数对象关联起来。这就会给执行栈的实现带来很大的复杂性。

    • 另一个原因是,闭包可能会被频繁地创建和销毁,而在执行栈中保存大量的闭包信息会导致执行效率变慢,甚至可能引起内存泄漏。因此,Python 解释器在设计执行栈时,选择不记录闭包相关的信息,以保持执行栈的简洁性和高效性。

    • 虽然 PyFrameObject 对象本身不记录闭包相关的信息,但是 Python 解释器可以通过其他方式来获取函数的闭包信息,例如通过函数对象的 closure 属性。

    PyFrameObject结构图如下:

    Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

    • 其中,f_code字段保存了当前执行的代码对象,最核心的字节码就在代码对象中。而f_lasti字段则保存着上条已执行字节码的编号。虚拟机内部用一个C局部变量next_instr维护下条字节码的位置,并据此加载下一条待执行的字节码指令,原理和CPU的指令指针寄存器(%rip)一样。

    • 另外,注意到f_back字段执行前一个栈帧对象,也就是调用者的栈帧对象。这样一来,栈帧对象按照调用关系串成一个调用链。

    1.2 栈帧对象链

    现在,我们以具体例子来考察Python栈帧对象链以及函数调用之间的关系:

    pi = 3.14def square(r):    return r ** 2def circle_area(r):    return pi * square(r)def main():    print(circle_area(5))if __name__ == '__main__':    main()

    当Python开始执行这个程序时,虚拟机先创建一个栈帧对象,用于执行模块代码对象:

    Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

    当虚拟机执行到模块代码第13行时,发生了函数调用。这时,虚拟机会新建一个栈帧对象,并开始执行函数main()的代码对象:

    Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

    随着函数调用逐层深入,当调用square()函数时,调用链达到最长:

    Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

    当函数调用完毕后,虚拟机通过f_back字段找到前一个栈帧对象并回到调用者代码中继续执行。

    1.3 栈帧获取

    栈帧对象PyFrameObject中保存着Python运行时信息,在底层执行流控制以及程序调试中非常有用。在Python代码层面,我们可以通过sys模块中的_getframe()函数,即可获得当前栈帧对象:

    >>> import sys>>> frame = sys._getframe()>>> frame<frame at 0x00000183FA78F870, file '<pyshell#1>', line 1, code <module>>>>> dir(frame)['__class__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__fORMat__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'clear', 'f_back', 'f_builtins', 'f_code', 'f_globals', 'f_lasti', 'f_lineno', 'f_locals', 'f_trace', 'f_trace_lines', 'f_trace_opcodes']

    拿到栈帧对象之后,我们来具体看一下相关的属性值,以之前的求面积的函数为例:

    >>> import sys>>> pi = 3.14>>> def square(r):        frame = sys._getframe()        while frame:            print('name:', frame.f_code.co_name)            print('Locals', list(frame.f_locals.keys()))            print('Globals', list(frame.f_globals.keys()))            print('===========')            frame = frame.f_back        return r ** 2>>> def circle_area(r):        return pi * square(r)>>> def main():        print(circle_area(2))>>> if __name__ == '__main__':        main()name: squareLocals ['r', 'frame']Globals ['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'sys', 'pi', 'square', 'circle_area', 'main']===========name: circle_areaLocals ['r']Globals ['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'sys', 'pi', 'square', 'circle_area', 'main']===========name: mainLocals []Globals ['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'sys', 'pi', 'square', 'circle_area', 'main']===========name: <module>Locals ['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'sys', 'pi', 'square', 'circle_area', 'main']Globals ['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', '__file__', '__cached__', 'sys', 'pi', 'square', 'circle_area', 'main']===========12.56

    小拓展:自定义函数实现sys._getframe()功能:(这里是原作者举的一个例子,个人感觉对相关知识的理解是有帮助的)

    当Python程序抛出异常时,会将执行上下文带出来,保存在异常中:

    >>> try:        1 / 0    except Exception as e:        print(e.__traceback__.tb_frame)<frame at 0x000002440D95BC50, file '<pyshell#5>', line 4, code <module>>

    因此,我们可以自定义一个getframe()函数:

    >>> def getframe():        try:            1 / 0        except Exception as e:            return e.__traceback__.tb_frame.f_back

    注意:getframe()中通过异常获得的是自己的栈帧对象e.traceback.tb_frame,所以还需要通过f_back字段找到调用者的栈帧。

    2. 字节码执行

    Python 虚拟机执行代码对象的主要函数有两个:

    PyEval_EvalCodeEx() 是通用接口,一般用于函数这样带参数的执行场景:

    PyObject *PyEval_EvalCodeEx(PyObject *_co, PyObject *globals, PyObject *locals,                  PyObject *const *args, int arGCount,                  PyObject *const *kws, int kwcount,                  PyObject *const *defs, int defcount,                  PyObject *kwdefs, PyObject *closure);

    PyEval_EvalCode() 是更高层封装,用于模块等无参数的执行场景:

    PyObject *PyEval_EvalCode(PyObject *co, PyObject *globals, PyObject *locals);

    这两个函数最终调用 _PyEval_EvalCodeWithName() 函数,初始化栈帧对象并调用 PyEval_EvalFrame 系列函数进行处理。栈帧对象将贯穿代码对象执行的始终,负责维护执行时所需的一切上下文信息。而PyEval_EvalFrame 系列函数最终调用 _PyEval_EvalFrameDefault() 函数,虚拟机执行的核心就在这里(具体源码这里就不讲解了)。

    PyObject *PyEval_EvalFrame(PyFrameObject *f);PyObject *PyEval_EvalFrameEx(PyFrameObject *f, int throwflag);PyObject* _Py_HOT_FUNCTION_PyEval_EvalFrameDefault(PyFrameObject *f, int throwflag);

    到此,相信大家对“Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”有了更深的了解,不妨来实际操作一番吧!这里是编程网网站,更多相关内容可以进入相关频道进行查询,关注我们,继续学习!

    --结束END--

    本文标题: Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

    本文链接: https://www.lsjlt.com/news/353036.html(转载时请注明来源链接)

    有问题或投稿请发送至: 邮箱/279061341@qq.com    QQ/279061341

    本篇文章演示代码以及资料文档资料下载

    下载Word文档到电脑,方便收藏和打印~

    下载Word文档
    猜你喜欢
    软考高级职称资格查询
    编程网,编程工程师的家园,是目前国内优秀的开源技术社区之一,形成了由开源软件库、代码分享、资讯、协作翻译、讨论区和博客等几大频道内容,为IT开发者提供了一个发现、使用、并交流开源技术的平台。
    • 官方手机版

    • 微信公众号

    • 商务合作