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剧照 | 《棋魂》

原文：https://segmentfault.com/a/1190000004889212

大家好，我是猫哥。

关于 Python 中探针的运用，我之前写过一篇《由浅入深：Python 中如何实现自动导入缺失的库？》，最近看到一篇文章专门写这个内容，特分享一下~~

本文呢，将简单讲述一下 Python 探针的实现原理。同时为了验证这个原理，我们也会一起来实现一个简单的统计指定函数执行时间的探针程序。

探针的实现主要涉及以下几个知识点:

sys.meta_path

sitecustomize.py

sys.meta_path

sys.meta_path 这个简单的来说就是可以实现 import hook 的功能， 当执行 import 相关的操作时，会触发 sys.meta_path 列表中定义的对象。关于 sys.meta_path 更详细的资料请查阅 python 文档中 sys.meta_path 相关内容以及 PEP 0302 。

sys.meta_path 中的对象需要实现一个 find_module 方法， 这个 find_module 方法返回 None 或一个实现了 load_module 方法的对象 (代码可以从 github 上下载 part1_) :

import sys

class MetaPathFinder:

def find_module(self, fullname, path=None):

print('find_module {}'.format(fullname))

return MetaPathLoader()

class MetaPathLoader:

def load_module(self, fullname):

print('load_module {}'.format(fullname))

sys.modules[fullname] = sys

return sys

sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())

if __name__ == '__main__':

import http

print(http)

print(http.version_info)

load_module 方法返回一个 module 对象，这个对象就是 import 的 module 对象了。比如我上面那样就把 http 替换为 sys 这个 module 了。

$python meta_path1.py

find_module http

load_module http

sys.version_info(major=3, minor=5, micro=1, releaselevel='final', serial=0)

通过 sys.meta_path 我们就可以实现 import hook 的功能：当 import 预定的 module 时，对这个 module 里的对象来个狸猫换太子， 从而实现获取函数或方法的执行时间等探测信息。

上面说到了狸猫换太子，那么怎么对一个对象进行狸猫换太子的操作呢？对于函数对象，我们可以使用装饰器的方式来替换函数对象(代码可以从 github 上下载 part2) :

import functools

import time

def func_wrapper(func):

@functools.wraps(func)

def wrapper(*args, **kwargs):

print('start func')

start = time.time()

result = func(*args, **kwargs)

end = time.time()

print('spent {}s'.format(end - start))

return result

return wrapper

def sleep(n):

time.sleep(n)

return n

if __name__ == '__main__':

func = func_wrapper(sleep)

print(func(3))

执行结果:

$python func_wrapper.py

start func

spent 3.004966974258423s

3

下面我们来实现一个计算指定模块的指定函数的执行时间的功能(代码可以从 github 上下载 part3) 。

假设我们的模块文件是 hello.py:

import time

def sleep(n):

time.sleep(n)

return n

我们的 import hook 是 hook.py:

import functools

import importlib

import sys

import time

_hook_modules = {'hello'}

class MetaPathFinder:

def find_module(self, fullname, path=None):

print('find_module {}'.format(fullname))

if fullname in _hook_modules:

return MetaPathLoader()

class MetaPathLoader:

def load_module(self, fullname):

print('load_module {}'.format(fullname))

# ``sys.modules`` 中保存的是已经导入过的 module

if fullname in sys.modules:

return sys.modules[fullname]

# 先从 sys.meta_path 中删除自定义的 finder

# 防止下面执行 import_module 的时候再次触发此 finder

# 从而出现递归调用的问题

finder = sys.meta_path.pop(0)

# 导入 module

module = importlib.import_module(fullname)

module_hook(fullname, module)

sys.meta_path.insert(0, finder)

return module

sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())

def module_hook(fullname, module):

if fullname == 'hello':

module.sleep = func_wrapper(module.sleep)

def func_wrapper(func):

@functools.wraps(func)

def wrapper(*args, **kwargs):

print('start func')

start = time.time()

result = func(*args, **kwargs)

end = time.time()

print('spent {}s'.format(end - start))

return result

return wrapper

测试代码:

>>>import hook

>>>import hello

find_module hello

load_module hello

>>>

>>>hello.sleep(3)

start func

spent 3.0029919147491455s

3

>>>

其实上面的代码已经实现了探针的基本功能。不过有一个问题就是上面的代码需要显示的 执行 import hook 操作才会注册上我们定义的 hook。

那么有没有办法在启动 python 解释器的时候自动执行 import hook 的操作呢？答案就是可以通过定义 sitecustomize.py 的方式来实现这个功能。

sitecustomize.py

简单的说就是，python 解释器初始化的时候会自动 import PYTHONPATH 下存在的 sitecustomize 和 usercustomize 模块:

实验项目的目录结构如下(代码可以从 github 上下载 part4) :

$tree

.

├── sitecustomize.py

└── usercustomize.py

sitecustomize.py:

$cat sitecustomize.py

print('this is sitecustomize')

usercustomize.py:

$cat usercustomize.py

print('this is usercustomize')

把当前目录加到 PYTHONPATH 中，然后看看效果:

$export PYTHONPATH=.

$python

this is sitecustomize

this is usercustomize

Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)

[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin

Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.

>>>

可以看到确实自动导入了。所以我们可以把之前的探测程序改为支持自动执行 import hook (代码可以从 github 上下载 part5) 。

目录结构:

$tree

.

├── hello.py

├── hook.py

├── sitecustomize.py

sitecustomize.py:

$cat sitecustomize.py

import hook

结果:

$export PYTHONPATH=.

$python

find_module usercustomize

Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)

[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin

Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.

find_module readline

find_module atexit

find_module rlcompleter

>>>

>>> import hello

find_module hello

load_module hello

>>>

>>> hello.sleep(3)

start func

spent 3.005002021789551s

3

不过上面的探测程序其实还有一个问题，那就是需要手动修改 PYTHONPATH 。用过探针程序的朋友应该会记得， 使用 newrelic 之类的探针只需要执行一条命令就 可以了：newrelic-admin run-program python hello.py 实际上修改 PYTHONPATH 的操作是在newrelic-admin 这个程序里完成的。

下面我们也要来实现一个类似的命令行程序，就叫 agent.py 吧。

agent

还是在上一个程序的基础上修改。先调整一个目录结构，把 hook 操作放到一个单独的目录下， 方便设置 PYTHONPATH 后不会有其他的干扰(代码可以从 github 上下载 part6 )。

$mkdir bootstrap

$mv hook.py bootstrap/_hook.py

$touch bootstrap/__init__.py

$touch agent.py

$tree

.

├── bootstrap

│ ├── __init__.py

│ ├── _hook.py

│ └── sitecustomize.py

├── hello.py

├── test.py

├── agent.py

bootstrap/sitecustomize.py 的内容修改为:

$cat bootstrap/sitecustomize.py

import _hook

agent.py 的内容如下:

import os

import sys

current_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))

boot_dir = os.path.join(current_dir, 'bootstrap')

def main():

args = sys.argv[1:]

os.environ['PYTHONPATH'] = boot_dir

# 执行后面的 python 程序命令

# sys.executable 是 python 解释器程序的绝对路径 ``which python``

# >>> sys.executable

# '/usr/local/var/pyenv/versions/3.5.1/bin/python3.5'

os.execl(sys.executable, sys.executable, *args)

if __name__ == '__main__':

main()

test.py 的内容为:

$cat test.py

import sys

import hello

print(sys.argv)

print(hello.sleep(3))

使用方法:

$python agent.py test.py arg1 arg2

find_module usercustomize

find_module hello

load_module hello

['test.py', 'arg1', 'arg2']

start func

spent 3.005035161972046s

3

至此，我们就实现了一个简单的 python 探针程序。当然，跟实际使用的探针程序相比肯定是有 很大的差距的，这篇文章主要是讲解一下探针背后的实现原理。

文中的代码：https://github.com/mozillazg/apm-python-agent-principle

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