我出生在C盤一個很深的目錄下，也不知道是誰把我放到這里的。

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我無事可干，整天就是睡覺，睡醒了就和我的鄰居Account.class聊天，他曾經(jīng)去過一次內(nèi)存的Java虛擬機(jī)，不停地給我重復(fù)他的JVM奇遇記，什么陌生警察，什么虛擬機(jī)大樓，什么清理者，讓我聽得心癢癢的，也想來一次這樣的冒險。

他告訴我：冒險經(jīng)歷的開端是兩個警察，你就等著他們來吧。

1

陌生警察

這一天我正在睡覺，突然咣咣有人砸我房門。

我打開門一看，一高一矮兩個陌生警察!我的冒險之旅要開場了。

“你們是ClassLoader吧?” 我想起了Account.class告訴我，會有個叫ClassLoader的警察來裝載。

“什么ClassLoader? 我們Python不玩Java那一套!” 兇神惡煞的矮個子警察遞上了工作證：“我是Python編譯器，現(xiàn)在奉命對你的住處進(jìn)行檢查，有沒有私藏pyc文件?”

“pyc? 什么pyc?” 我感覺情節(jié)發(fā)展和Account.class說得明顯不符。

“別裝了你!” 他四處查看，沒一會兒，在一個叫做_pycache_的角落里拉出來一個叫做user.pyc的家伙，“敢說你沒有私藏文件?”

我真是驚呆了，我確實是user.py，這個pyc是什么時候藏在這里的。

“讓我檢查檢查，” Python編譯器拿著放大鏡開始查看pyc這個家伙的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，“嗯，Magic Number是3394，是我們Python3.7編譯出來的，不過從修改時間戳看，實在是太老了。”

Python編譯器剛說完，抽出手槍，砰的一聲，就把這個pyc該干掉了， 他把頭轉(zhuǎn)向我：“現(xiàn)在，我對你重新編譯。”

可憐的pyc，連個臺詞都來不及說，就消失在空氣中了。

“有個叫order.py 的文件 import了你，現(xiàn)在我們奉命帶你去內(nèi)存編譯。” Python編譯器冷冰冰地說到。

我很驚奇：“我們Python不是解釋執(zhí)行嗎，怎么還要編譯?”

“真是無知，我們Python有虛擬機(jī)，執(zhí)行的是字節(jié)碼，是先編譯，再解釋執(zhí)行!走，去內(nèi)存編譯。”

兩個警察不允許我?guī)魏螙|西，便把我推上車，我們一起奔向內(nèi)存。

2

打探消息

我覺得前途未卜，不會編譯完以后把我也干掉吧?不能坐以待斃，一定得多了解信息。

“警察大哥，你們是怎么找到我的?” 我小心地問那個高個警察。

高個兒警察還算和藹，揮了揮手中的一個本子：“我是Python解釋器，我們會根據(jù)本子上記錄的Python模塊搜索規(guī)則來查找，你看，先從程序運行的當(dāng)前目錄找，然后從PYTHONPATH找，然后是python的安裝設(shè)置相關(guān)的默認(rèn)路徑。”

“瞧瞧，” 他指著本子說，“你就在C:\users\andy\temp\python\這個目錄下。”

我心說這和Java的ClassPath差不多。

“原來如此，那為什么把那個pyc給槍斃了?” 我心里緊張，下意識地看了一眼開車的Python編譯器。

“編譯一次挺花費時間的，所以就把字節(jié)碼緩存到了pyc文件中，如果你的源碼沒有變化，下次就不用編譯，直接執(zhí)行了。否則，那個pyc文件就沒用了。”

我長出一口氣，看來我的源碼有改動!

“咱們怎么不用ClassLoader呢，我聽說Java都是這么干的。”

“說來話長，” 高個兒警察很有耐心，“他們Java最早的時候有個非常先進(jìn)的理念，代碼可以從網(wǎng)絡(luò)下載，在本地的JVM的執(zhí)行， 但是你怎么知道網(wǎng)上的那些代碼有沒有危害?所以就搞了一個沙箱機(jī)制，ClassLoader也分了層，Java的核心類(如java.lang.String)只能由最上層的ClassLoader來裝載，防止別有用心的人寫個同名的核心類搞破壞。”

我點頭：“奧，我們Python沒有這樣的需求，拿到源文件，編譯后解釋執(zhí)行，也就不需要復(fù)雜的Class Loader了。”

3

編譯

說話間，車子就開到了內(nèi)存。

Python編譯器下車，把我的代碼通通搬到內(nèi)存，然后是一系列讓人眼花繚亂的詞法分析，語言分析， 形成抽象語法樹，從抽象語法樹中形成字節(jié)碼，此處略去3000字不表。

終于，他在內(nèi)存中把我變成了二進(jìn)制的字節(jié)碼。

 

“這是什么鬼? ”

Python編譯器說：“這就是pyc啊，就是PyCodeObject，編譯一次累死人，我把這個PyCodeObject的對象保存到pyc文件中，下一次就不用編譯了。”

“我給你舉個例子，”高個的Python解釋器接口道，“在你的user.py中有這么一段代碼

def add(a,b):

c = a + b

print(c)

編譯成PyCodeObject以后大概是這個樣子：

 

(注：這里展示的只是一個片段，實際的PyCodeObject經(jīng)常是一個復(fù)雜的嵌套接結(jié)構(gòu))

局部常量表中記錄的是局部變量a,b,c 。

符號表中記錄了程序引用的符號，如print等。

字節(jié)碼就是真正的指令了，這些指令會引用常量表和符號表。”

只是展示一個片段就這么復(fù)雜了，我懶得去看這么多的細(xì)節(jié)，心里想著按照Account.class的劇本，接下來就要去方法區(qū)了。

可是高個子的Python解釋器說：“我們這兒沒有方法區(qū)，Python的對象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是保存在一個Heap中的，user.py，這是你的地址，你帶著PyCodeObject到那里去吧，一會兒就有線程聯(lián)系你了。”

4

執(zhí)行

去Heap區(qū)的路上，我看到一隊全副武裝的士兵不停地在巡邏，時不時把一些對象拉出來，塞到車?yán)铮挥谜f，這些都是可怕的清理者。

我仔細(xì)觀察了一下，每個對象的頭上都有一個引用計數(shù)，如果被使用，計數(shù)就會增加，不用就會減少，如果變成零，對不起，那就危險了。

按照地址找到了格子間，我倆剛坐下來，桌子上的視頻電話就響了。

畫面中，我看到一個編號為0x7954的線程坐在一個明亮的CPU車間里，他的面前是一個工作臺，工作臺上有一個深桶(后來知道這叫做棧)和一排小格子，還有一個引人注目的大鎖，上面寫著“GIL”。

這個線程對我說：“我是線程0x7954，我們的老板Python解釋器讓我調(diào)用你的add函數(shù)，請把第一條指令給我說一下。”

我說：“c = a +b ”

“聽不懂，你得給我說字節(jié)碼。”

我恍然大悟，趕緊從PyCodeObject中的字節(jié)碼區(qū)域?qū)ふ遥?ldquo;LOAD_FAST 0 (a)”

0x7594從編號為0的格子中找到了數(shù)字10， 也就是add函數(shù)的參數(shù)a 的值，放入棧中

 

然后0x7594說：“下一條指令。”

“LOAD_FAST 1 (b)”

于是數(shù)字20被放入了棧中：

 

然后是：BINARY_ADD， 這應(yīng)該是個加法操作。

0x7954迅速地把10，20都取出來，做了加法，把結(jié)果30放入棧中。

 

最后是 ：STORE_FAST 2 (c)

于是0x7954取出30，放到了編號為2的格子中

 

看到這里， 我就明白了Account.class曾經(jīng)說過JVM是個基于棧的虛擬機(jī)， 看來Python VM也是如此啊。

不過既然都是虛擬機(jī)，為什么這里執(zhí)行兩個整數(shù)的加法操作(BINARY_ADD)會這么慢呢?

電話那頭的0x7954似乎看透了我的心思：“我最煩這個BINARY_ADD指令了，Python是動態(tài)類型語言，運行期才知道具體類型，比如這段代碼

s1 = "hello"

s2 = "world"

s = s1 + s2

編譯后，底層的指令也是BINARY_ADD， 所以在執(zhí)行這個指令的時候，還需要做類型判斷，如果操作數(shù)是整數(shù)，就相加;如果操作數(shù)是字符串，就做連接;如果一個是整數(shù)，一個是字符串，還得做轉(zhuǎn)型，我容易嗎我!”

看來靜態(tài)類型也有好處，可以直接編譯成對應(yīng)的字節(jié)碼，整數(shù)相加就是iadd，字符串連接是其他字節(jié)碼，在運行時就不用判斷參數(shù)類型了。

5

GIL

執(zhí)行的時間長了，我對這些字節(jié)碼熟得都能背下來了，這里實在是無聊。

0x7954執(zhí)行完一條STORE_FAST指令以后，居然停了下來，我心中大喜，Account.class告訴過我，一旦停下來，那就是程序員要調(diào)試了，他們的一秒是我們的十多天，將會有個漫長的假期。

但是沒有什么調(diào)試， 0x7954從工作臺上抱起GIL這個大鎖離開了CPU車間。

他對我說：“對不起，剛才Python解釋器說我已經(jīng)運行了100個ticks，必須得放棄這個GIL的鎖，讓別的線程使用CPU車間了。”

我說：“不對啊，你這里有4個CPU車間(CPU core)，你為什么不去別的車間執(zhí)行?”

“沒辦法，這是老大規(guī)定的，不管有多少個CPU車間，只有搶到GIL鎖的哪個線程才能運行。”

“這么多線程在等待GIL，這么多CPU車間空著，一核有難，多核圍觀，浪費啊，浪費!” 我不由得痛心疾首。

不知道等了多久，0x7954又獲得了GIL鎖，進(jìn)入CPU車間執(zhí)行。

我注意到一個特點，字節(jié)碼中對print函數(shù)的調(diào)用特別特別多。

程序員們怎么不調(diào)試呢?快樂假期怎么還不來呢?

0x7954說：“碼農(nóng)有兩類

1. 調(diào)試派，出了問題喜歡調(diào)試

2. 輸出派，不喜歡單步調(diào)試，喜歡通過print來輸出信息

3. 思考派，出了問題先在腦子中分析定位，然后再調(diào)試。

我看咱們這位Python程序員屬于第二種。”

這個程序員“去年”還調(diào)試Java呢，怎么到了Python這里就變成輸出派了?我很疑惑。

6

尾聲

代碼終于執(zhí)行完了，整個世界都消失了，我又回到了硬盤，正如Account.class所說，像做了一場夢一樣。

user.pyc熱情地給我打招呼：“大哥回來了，你可千萬別再改動了，你一改動我就完蛋。”

我說：“我也不想改，一改我也活不成， 但是我也控制不了程序員啊......”

話還沒說完，就感覺頭上遭遇了一記暴擊，我知道程序員動了我的源碼，也許是修改了一個Bug，我知道自己要被新版本覆蓋了。

user.pyc喃喃自語：“完了，這么快就改了.....”

這時候門外又響起了敲門聲......

【本文為51CTO專欄作者“劉欣”的原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請通過作者微信公眾號coderising獲取授權(quán)】

 

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