10 虚拟机

python虚拟机从编译得到的codeobject中依次读入每一条字节码指令，并在当前的上下文环境中执行指令。

执行环境

这个执行环境包含了名字空间在内的等一系列动态的信息。

typedef struct _frame {
        PyObject_VAR_HEAD
        struct _frame *f_back;  // 执行环境的上一个frame
        PyCodeObject *f_code;   // 对应的code object
        PyObject *f_builtins;   /* builtin symbol table (PyDictObject) */
        PyObject *f_globals;    /* global symbol table (PyDictObject) */
        PyObject *f_locals;     /* local symbol table (any mapping) */
        PyObject **f_valuestack;    // 运行时栈的栈底位置
        PyObject **f_stacktop;        // 运行时栈的栈顶位置
        PyObject *f_trace;      /* Trace function */

        /* If an exception is raised in this frame, the next three are used to
        * record the exception info (if any) originally in the thread state.  See
        * comments before set_exc_info() -- it's not obvious.
        * Invariant:  if _type is NULL, then so are _value and _traceback.
        * Desired invariant:  all three are NULL, or all three are non-NULL.  That
        * one isn't currently true, but "should be".
        */
        PyObject *f_exc_type, *f_exc_value, *f_exc_traceback;

        PyThreadState *f_tstate;
        int f_lasti;        // 上一条字节码在code中的偏移位置
        int f_lineno;       // 当前字节码对应的源代码行位置
        int f_iblock;       /* index in f_blockstack */
        PyTryBlock f_blockstack[CO_MAXBLOCKS]; /* for try and loop blocks */
        PyObject *f_localsplus[1];  /* 动态内存 locals+stack */
    } PyFrameObject;

动态内存

分配的f_localsplus不仅仅是运行时栈的空间，同时有局部变量的、co_freevars、co_cellvars的。使用方向也是从local_plus[0]开始，栈底在n_locals+ncells+nfrees处，然后累加。初始状态栈顶也是指向栈底(f_valuestack = f_stacktop = n_locals+ncells+nfrees)。

获取

在Python中可以通过sys的_getframe来获得frame object，获得的frame object就对应有PyFrameObject的一系列属性。

实现自己的getframe方法

import sys

def get_current_frame():

    try:
        1 / 0
    except Exception as e:
        type, value, traceback = sys.exc_info()
        return traceback.tb_frame.f_back

运行环境

运行时环境是一个全局的概念，执行环境是一个frame，是对应一个code block的概念。

在运行环境初始化后，python会调用ceval.c中的PyEval_EvalFramEx的函数。

PyEval_EvalFramEx

先初始化一些变量，取出code object和frame中的一些信息，然后就开始遍历code object中的co_code对象来依次执行字节码，在遍历时会使用三个东西：

first_instr  指向字节码开始位置
next_instr  指向下一个字节码指令的位置
f_lasti  指向上一条已经被执行的字节码位置

执行时有一个巨大的switch case来根据字节码来执行相应的函数。

进程 线程

python使用的是操作系统的原生线程，有一个PyThreadState来保存关于线程的信息；对于进程，有PyInterpreterState来保存关于进程的信息。