编译自：https://opensource.com/Article/18/4/Introduction-Python-字节码
作者：詹姆斯贝内特
翻译：qhwdw
了解什么是Python字节码，Python如何使用它来执行您的代码，以及它如何帮助您。
如果你曾经写过Python，或者刚用过Python，可能经常会看到Python源代码文件——，文件名以。皮。您可能见过其他类型的文件，例如以结尾的文件。pyc，或者你可能听说过它们是Python字节码文件。(这些在Python 3中可能不容易看到——，因为它们与您的不在同一个目录中。py文件，它们位于一个名为__pycache__)的子目录中或者您听说过这是一种节省时间的方法，可以避免每次Python运行时都要重新解析源代码。
但是，除了“哦，这是Python字节码”，你知道这些文件能做什么吗？以及Python如何使用它们？
如果你不知道，那你就走运了！今天，我将向您展示什么是Python字节码，Python如何使用它来运行您的代码，以及它如何帮助您。
Python 如何工作
Python经常作为解释性语言——引入。原因之一是程序运行时，你的源代码被转换成了CPU的原生指令3354，但这个观点只是部分正确。Python和大多数解释语言一样，确实将源代码编译成一组虚拟机指令，并且针对相应的虚拟机实现了Python解释器。这种中间格式称为“字节码”。因此，这些。pyc文件由Python悄悄地留下，以使它们运行“更快”或“优化”版本的源代码。它们是字节码指令，您的程序在Python虚拟机上运行。
我们来看一个例子。这里是经典节目《你好，世界》用Python编写。
def hello()
打印(‘你好，世界！’)
以下是转换后的字节码(转换为人类可读格式):
2 0加载_全局0(打印)
2 LOAD_CONST 1('你好，世界！')
4呼叫功能1
如果您输入hello()函数，然后使用CPython解释器运行它，那么上面列出的内容就是Python运行的内容。这可能看起来有点奇怪，所以让我们更多地了解它做了什么。
Python 虚拟机内幕
CPython使用基于堆栈的虚拟机。也就是说，它完全面向堆栈数据结构(您可以将一些东西“推”到堆栈顶部，或者从堆栈顶部“弹出”一些东西)。CPython使用三种类型的堆栈：
调用堆栈。这是运行Python程序的主要结构。它为每个当前活动的函数调用使用——个“框架”，堆栈的底部是程序的入口点。每个函数调用都会向调用堆栈推一个新的帧，每当函数调用返回时，这个帧就会被销毁。在每一帧中，都有一个评估堆栈(也称为数据堆栈)。这个栈是Python函数运行的地方。运行的大多数Python代码都是由推入这个堆栈的东西组成的，操作它们，然后在它们返回时销毁它们。在每个帧中，还有一个块堆栈。Python使用它来跟踪某些类型的控制结构：循环、try/except块和with块，所有这些都被推入块堆栈。当细长的眼睛离开这些控制结构时，块堆栈被破坏。这将有助于Python知道在任何给定时刻哪个块是活动的，例如，continue或break语句可能会影响正确的块。大多数Python字节码指令都在当前调用堆栈框架的计算堆栈上操作，尽管有一些指令可以做其他事情(例如跳转到指定的指令或操作块堆栈)。
为了更好地理解，假设我们有一些调用函数的代码，比如：my_function(my_variable，2)。Python被转换成一系列字节码指令：
LOAD_NAME指令查找函数对象my_function，然后将其推到计算堆栈的顶部。另一个LOAD_NAME指令查找变量my_variable。然后将其推到计算堆栈的顶部。LOAD_CONST指令将一个实整数值2推到计算堆栈的顶部。CALL_FUNCTION指令将有两个参数，这意味着Python需要从栈顶弹出两个位置参数。然后在上面调用函数，同时弹出(对于函数涉及的关键字参数，使用另一条不同的指令—— CALL_FUNCTION_KW，但是
使用的操作原则类似，以及第三个指令 —— CALL_FUNCTION_EX，它适用于函数调用涉及到参数使用 * 或 ** 操作符的情况）。一旦 Python 拥有了这些之后，它将在调用栈上分配一个新帧，填充到函数调用的本地变量上，然后，运行那个帧内的 my_function 字节码。运行完成后，这个帧将被调用栈销毁，而在最初的帧内，my_function 的返回值将被推入到计算栈的顶部。访问和理解 Python 字节码
如果你想玩转字节码，那么，Python 标准库中的 dis 模块将对你有非常大的帮助；dis 模块为 Python 字节码提供了一个 “反汇编”，它可以让你更容易地得到一个人类可读的版本，以及查找各种字节码指令。 dis 模块的文档 可以让你遍历它的内容，并且提供一个字节码指令能够做什么和有什么样的参数的完整清单。
例如，获取上面的 hello() 函数的列表，可以在一个 Python 解析器中输入如下内容，然后运行它：
import dis
dis.dis(hello)
函数 dis.dis() 将反汇编一个函数、方法、类、模块、编译过的 Python 代码对象、或者字符串包含的源代码，以及显示出一个人类可读的版本。dis 模块中另一个方便的功能是 distb()。你可以给它传递一个 Python 追溯对象，或者在发生预期外情况时调用它，然后它将在发生预期外情况时反汇编调用栈上最顶端的函数，并显示它的字节码，以及插入一个指向到引发意外情况的指令的指针。
它也可以用于查看 Python 为每个函数构建的编译后的代码对象，因为运行一个函数将会用到这些代码对象的属性。这里有一个查看 hello() 函数的示例：
>>> hello.__code__
<code object hello at 0x104e46930, file "<stdin>", line 1>
>>> hello.__code__.co_consts
(None, 'Hello, World!')
>>> hello.__code__.co_varnames
()
>>> hello.__code__.co_names
('print',)
代码对象在函数中可以以属性 __code__ 来访问，并且携带了一些重要的属性：
co_consts 是存在于函数体内的任意实数的元组co_varnames 是函数体内使用的包含任意本地变量名字的元组co_names 是在函数体内引用的任意非本地名字的元组许多字节码指令 —— 尤其是那些推入到栈中的加载值，或者在变量和属性中的存储值 —— 在这些元组中的索引作为它们参数。
因此，现在我们能够理解 hello() 函数中所列出的字节码：
LOAD_GLOBAL 0：告诉 Python 通过 co_names （它是 print 函数）的索引 0 上的名字去查找它指向的全局对象，然后将它推入到计算栈LOAD_CONST 1：带入 co_consts 在索引 1 上的字面值，并将它推入（索引 0 上的字面值是 None，它表示在 co_consts 中，因为 Python 函数调用有一个隐式的返回值 None，如果没有显式的返回表达式，就返回这个隐式的值 ）。CALL_FUNCTION 1：告诉 Python 去调用一个函数；它需要从栈中弹出一个位置参数，然后，新的栈顶将被函数调用。“原始的” 字节码 —— 是非人类可读格式的字节 —— 也可以在代码对象上作为 co_code 属性可用。如果你有兴趣尝试手工反汇编一个函数时，你可以从它们的十进制字节值中，使用列出 dis.opname 的方式去查看字节码指令的名字。
字节码的用处
现在，你已经了解的足够多了，你可能会想 “OK，我认为它很酷，但是知道这些有什么实际价值呢？”由于对它很好奇，我们去了解它，但是除了好奇之外，Python 字节码在几个方面还是非常有用的。
首先，理解 Python 的运行模型可以帮你更好地理解你的代码。人们都开玩笑说，C 是一种 “可移植汇编器”，你可以很好地猜测出一段 C 代码转换成什么样的机器指令。理解 Python 字节码之后，你在使用 Python 时也具备同样的能力 —— 如果你能预料到你的 Python 源代码将被转换成什么样的字节码，那么你可以知道如何更好地写和优化 Python 源代码。
第二，理解字节码可以帮你更好地回答有关 Python 的问题。比如，我经常看到一些 Python 新手困惑为什么某些结构比其它结构运行的更快（比如，为什么 {} 比 dict() 快）。知道如何去访问和阅读 Python 字节码将让你很容易回答这样的问题（尝试对比一下： dis.dis("{}") 与 dis.dis("dict()") 就会明白）。
最后，理解字节码和 Python 如何运行它，为 Python 程序员不经常使用的一种特定的编程方式提供了有用的视角：面向栈的编程。如果你以前从来没有使用过像 FORTH 或 Fator 这样的面向栈的编程语言，它们可能有些古老，但是，如果你不熟悉这种方法，学习有关 Python 字节码的知识，以及理解面向栈的编程模型是如何工作的，将有助你开拓你的编程视野。
延伸阅读
如果你想进一步了解有关 Python 字节码、Python 虚拟机、以及它们是如何工作的更多知识，我推荐如下的这些资源：
Python 虚拟机内幕 ，它是 Obi Ike-Nwosu 写的一本免费在线电子书，它深入 Python 解析器，解释了 Python 如何工作的细节。一个用 Python 编写的 Python 解析器 ，它是由 Allison Kaptur 写的一个教程，它是用 Python 构建的 Python 字节码解析器，并且它实现了运行 Python 字节码的全部构件。最后，CPython 解析器是一个开源软件，你可以在 GitHub 上阅读它。它在文件 Python/ceval.c 中实现了字节码解析器。 这是 Python 3.6.4 发行版中那个文件的链接 ；字节码指令是由第 1266 行开始的 switch 语句来处理的。学习更多内容，参与到 James Bennett 的演讲， 有关字节的知识：理解 Python 字节码 ，将在 PyCon Cleveland 2018 召开。
via: https://opensource.com/article/18/4/introduction-python-bytecode
作者： James Bennett 选题： lujun9972 译者： qhwdw 校对： wxy
本文由 LCTT 原创编译， Linux中国 荣誉推出