通过简单demo让你秒懂Python的编译和执行全过程

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基本说明

python 是一种解释型的编程语言,所以不像编译型语言那样需要显式的编译过程。然而,在 Python 代码执行之前,它需要被解释器转换成字节码,这个过程就是 Python 的编译过程。

DEMO演示讲解

假设我们有以下 Python 代码:

def add_numbers(a, b):
    return a + b

print(add_numbers(2, 3))

以下是 Python 编译与执行的具体步骤:

  1. 词法分析(Lexical Analysis):解释器会先将 Python 源代码分解成一系列的 Token(标记),每个 Token 包含了源代码中的一个词汇单元(例如变量名、关键字、操作符等)。这个过程又叫做扫描(Scanning),Python 解释器使用了一个名为 tokenizer 的模块来完成这个任务。Python 解释器将上面的代码分解成以下 Token:

    def, add_numbers, (, a, ,, b, ), :, return, a, +, b, print, (, add_numbers, (, 2, ,, 3, ), ), EOF
    
    
  2. 语法分析(Parsing):解释器会使用 Token,构建语法树(Syntax Tree)或抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST),以此来表示代码的结构和语法。AST 包含了源代码中的所有关键信息,并为解释器提供了执行代码的指令。Python 解释器使用了一个名为 parser 的模块来完成这个任务。Python 解释器使用 上面词法分析的Token 生成以下 AST

    Module(body=[
        FunctionDef(name='add_numbers', args=arguments(args=[
            arg(arg='a', annotation=None),
            arg(arg='b', annotation=None)
        ], vararg=None, kwonlyargs=[], kw_defaults=[], kwarg=None, defaults=[]),
        body=[Return(value=BinOp(left=Name(id='a', ctx=Load()), op=Add(), right=Name(id='b', ctx=Load())))],
        decorator_list=[],
        returns=None
    ),
    Expr(value=Call(func=Name(id='print', ctx=Load()), args=[Call(func=Name(id='add_numbers', ctx=Load()), args=[Num(n=2), Num(n=3)], keywords=[])], keywords=[]))
    ])
    
    
  3. 编译(Compilation):在生成AST之后,解释器将使用它来生成字节码(Bytecode)。字节码是一种类似于汇编语言的中间代码,是 Python 解释器的一种低级表示方式。Python 解释器使用了一个名为 compiler 的模块来完成这个任务。Python 解释器使用 上面得到的AST 生成以下字节码:

    1           0 LOAD_CONST               0 (<code object add_numbers at 0x10d0db7c0, file "<stdin>", line 1>)
                2 LOAD_CONST               1 ('add_numbers')
                4 MAKE_FUNCTION            0
                6 STORE_NAME               0 (add_numbers)
    
    3           8 LOAD_NAME                1 (add_numbers)
               10 LOAD_CONST               2 (2)
               12 LOAD_CONST               3 (3)
               14 CALL_FUNCTION            2
               16 CALL_FUNCTION            1
               18 POP_TOP
               20 LOAD_CONST               4 (None)
               22 RETURN_VALUE
    
    
  4. 执行(Execution):最后,Python 解释器将执行字节码,并将其转换成机器码来完成具体的操作。执行过程是由解释器来完成的,解释器会根据字节码中存储的指令,按照一定的顺序来执行代码。Python 解释器按照上面的指令逐个执行字节码,最终输出 5

其他说明

Python 是一种动态语言,它的特点是代码的执行过程中能够进行大量的动态操作。在 Python 编译过程中,生成字节码的过程和执行字节码的过程是同时进行的,这意味着 Python 解释器在执行代码时可以根据实际情况来进行优化,提高程序的性能。

例如,在运行时,Python 解释器会使用一些高级的优化技术,例如 JIT(Just-In-Time)编译、动态类型推断等,来提高代码的执行效率。这些优化技术在编译期间是不可用的,因为 Python 中很多类型和属性是在运行时才能确定的。

此外,Python 还支持元编程和动态导入等高级特性。元编程是指在运行时生成和操作程序的代码,这种方式可以使程序更加灵活和可扩展。动态导入是指在运行时根据需要动态加载和执行代码,这种方式可以使程序更加动态和可配置。这些特性在编译和执行过程中会对 Python 解释器的行为产生影响,需要在编译器和解释器中进行特殊处理。

总之,Python 的动态特性使得编译和执行过程相互交织,使得编译器和解释器需要更加灵活和智能地处理代码。

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