运行 Python 代码时会发生什么？

Source: Dev.to

一个简单的示例

让我们从一个简单的 Python 程序开始。假设我们在电脑上有一个名为 greet.py 的文件。文件中只有一个函数 greet()：

# greet.py
def greet(name: str):
    print(f"Hello {name}!")

如果我们使用参数 "drani" 调用这个函数：

greet(name="drani")

程序会输出：

Hello drani!

运行 Python 程序

要运行该程序，通常使用以下命令：

python greet.py

当此命令执行时，后台会发生多件事。

1. 加载代码

Python 解释器（CPython）会将源文件从磁盘加载到内存中，为执行做好准备。

2. 编译为字节码

解释器调用内部编译器，执行以下几个步骤：

• 标记化（Tokenization）： 将源代码拆分为有意义的符号（称为 token）。
• 构建抽象语法树（AST）： 将 token 组织成一棵树结构，表示程序的逻辑。
• 编译为字节码： 将 AST 转换为 Python 字节码，这是一种更底层的表示，解释器可以高效执行。

如果在 __pycache__ 目录下已经存在对应的 .pyc 缓存字节码文件，Python 可能会直接加载该文件，而不是重新编译源文件，从而加快经常使用的模块的执行速度。

3. 执行字节码

CPython 虚拟机逐条执行字节码指令。对于每个操作码（opcode）：

• 解释器将该操作码分派给实现该操作的相应 C 函数。
• 这些 C 函数已编译为本机机器码，CPU 能够直接理解。
• CPU 取指、解码并执行这些指令，在内存中操作 Python 对象。

该过程会一直进行，直到所有指令执行完毕。

4. 产生输出

当执行结束时，任何产生的值都会存储在内存中。如果程序包含 print() 等输出命令，结果就会显示在用户的屏幕上。

结论

即使是像 greet.py 这样简单的程序，也在幕后经历了多个处理层次：加载文件、编译为字节码以及执行机器级指令。Python 隐藏了大部分复杂性，使得编写和运行代码变得轻松，同时仍保持高效和强大。了解这一过程可以帮助你编写更高效的程序、排查性能问题，并在出现错误时更好地进行解释。