Python源码学习:启动流程简析

Python源码分析

本文环境python2.5系列
参考书籍<<Python源码剖析>>

Python简介：
python主要是动态语言，虽然Python语言也有编译，生成中间字节码，但是它还是一种动态语言，边解释边运行。让我们去揭开Python的一些基础分析。

分析

首先，可以上官网获取Python2.5的源代码，下载源代码后可以打开代码的目录，其中主要有目录
Include: 所有的头文件；
Python: Python核心的解释器执行，线程等主要功能；
Lib：由Python语言编写的包；
Modules: 用C语言编写的模块，当中还包括入口函数；
Parser: Python语言的词法分析与语法分析模块，该流程与编译原理的基础知识一样；
Objects: Python语言的内建对象。

以上为基础信息介绍，接下来就简析一下Python的启动与入口函数。
位于Modules/python.c中

#include "Python.h"#ifdef __FreeBSD__
#include <floatingpoint.h>
#endifint
main(int argc, char **argv)
{/* 754 requires that FP exceptions run in "no stop" mode by default,* and until C vendors implement C99's ways to control FP exceptions,* Python requires non-stop mode.  Alas, some platforms enable FP* exceptions by default.  Here we disable them.*/
#ifdef __FreeBSD__fp_except_t m;m = fpgetmask();fpsetmask(m & ~FP_X_OFL);
#endifreturn Py_Main(argc, argv);
}

当在命令行中调用 python时，直接就进入了Py_Main函数，

int
Py_Main(int argc, char **argv)
{...Py_Initialize();                      # 进行初始化操作...if (command) {sts = PyRun_SimpleStringFlags(command, &cf) != 0;free(command);} else if (module) {sts = RunModule(module);free(module);}else {if (filename == NULL && stdin_is_interactive) {RunStartupFile(&cf);}/* XXX */sts = PyRun_AnyFileExFlags(fp,filename == NULL ? "<stdin>" : filename,filename != NULL, &cf) != 0;   # 进入命令行或者输入文件的交换模式}   ...
}

这里省略部分其他如帮助信息等输入参数的分析，由此可以看到，Python首先会进行初始化Py_Initialize，然后在调用PyRun_AnyFileExFlags进行处理，首先先看想Py_Initialize做了哪些工作;

void
Py_InitializeEx(int install_sigs)
{PyInterpreterState *interp;                                     // 解释器对象PyThreadState *tstate;                                          // 线程对象PyObject *bimod, *sysmod;char *p;
#if defined(Py_USING_UNICODE) && defined(HAVE_LANGINFO_H) && defined(CODESET)char *codeset;char *saved_locale;PyObject *sys_stream, *sys_isatty;
#endifextern void _Py_ReadyTypes(void);if (initialized)return;initialized = 1;                                                //  是否已经初始化标志位if ((p = Py_GETENV("PYTHONDEBUG")) && *p != '\0')               // 设置标志位Py_DebugFlag = add_flag(Py_DebugFlag, p);if ((p = Py_GETENV("PYTHONVERBOSE")) && *p != '\0')Py_VerboseFlag = add_flag(Py_VerboseFlag, p);if ((p = Py_GETENV("PYTHONOPTIMIZE")) && *p != '\0')Py_OptimizeFlag = add_flag(Py_OptimizeFlag, p);interp = PyInterpreterState_New();                                  // 获取一个新的解析器对象if (interp == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't make first interpreter");tstate = PyThreadState_New(interp);                                 // 生成第一个线程if (tstate == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't make first thread");(void) PyThreadState_Swap(tstate);                                  // 将生成的线程对象设置成当前要运行的线程对象_Py_ReadyTypes();                                                   // 检查对象type是否能创建等检查操作if (!_PyFrame_Init())                                               // 检查当前运行的栈帧Py_FatalError("Py_Initialize: can't init frames");if (!_PyInt_Init())Py_FatalError("Py_Initialize: can't init ints");                // 创建小整数缓存池_PyFloat_Init();                                                    // 检查当前运行计算机的float方式interp->modules = PyDict_New();                                     // 新建一个字典对象作为当前解释器对象的modules, __builtin__中的方法就会放入其中if (interp->modules == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't make modules dictionary");#ifdef Py_USING_UNICODE/* Init Unicode implementation; relies on the codec registry */_PyUnicode_Init();
#endifbimod = _PyBuiltin_Init();                                          // 将内建对象等方法加入到interp->modules字典中if (bimod == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't initialize __builtin__");interp->builtins = PyModule_GetDict(bimod);                         // 将内建对象方法等，放入解释器的builtins中if (interp->builtins == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't initialize builtins dict");Py_INCREF(interp->builtins);                                        sysmod = _PySys_Init();                                             // sys模块方法的初始化if (sysmod == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't initialize sys");interp->sysdict = PyModule_GetDict(sysmod);if (interp->sysdict == NULL)Py_FatalError("Py_Initialize: can't initialize sys dict");Py_INCREF(interp->sysdict);_PyImport_FixupExtension("sys", "sys");PySys_SetPath(Py_GetPath());PyDict_SetItemString(interp->sysdict, "modules",interp->modules);_PyImport_Init();/* initialize builtin exceptions */_PyExc_Init();                                                    // 初始化错误的內建方法_PyImport_FixupExtension("exceptions", "exceptions");/* phase 2 of builtins */_PyImport_FixupExtension("__builtin__", "__builtin__");_PyImportHooks_Init();if (install_sigs)initsigs(); /* Signal handling stuff, including initintr() */initmain(); /* Module __main__ */if (!Py_NoSiteFlag)initsite(); /* Module site *//* auto-thread-state API, if available */
#ifdef WITH_THREAD_PyGILState_Init(interp, tstate);
#endif /* WITH_THREAD */warnings_module = PyImport_ImportModule("warnings");if (!warnings_module)PyErr_Clear();#if defined(Py_USING_UNICODE) && defined(HAVE_LANGINFO_H) && defined(CODESET)/* On Unix, set the file system encoding according to theuser's preference, if the CODESET names a well-knownPython codec, and Py_FileSystemDefaultEncoding isn'tinitialized by other means. Also set the encoding ofstdin and stdout if these are terminals.  */...
}

初始化的内容，基本上涵盖了Python运行时的信息，由于Python的执行需要有解释器类型，也需要线程状态类型，构建运行时的内建类型，检查type是否能够正常生成，检查Python支持的对象能否正常新建等信息。后续有机会会剖析其中部分内容。

接下来就是PyRun_AnyFileExFlags处理

int
PyRun_AnyFileExFlags(FILE *fp, const char *filename, int closeit,PyCompilerFlags *flags)
{if (filename == NULL)filename = "???";if (Py_FdIsInteractive(fp, filename)) {int err = PyRun_InteractiveLoopFlags(fp, filename, flags);                // 进入解释器交互模式if (closeit)fclose(fp);return err;}elsereturn PyRun_SimpleFileExFlags(fp, filename, closeit, flags);            // 进入执行文本文件模式
}

再次我们查看执行文本模式

int
PyRun_SimpleFileExFlags(FILE *fp, const char *filename, int closeit,PyCompilerFlags *flags)
{PyObject *m, *d, *v;const char *ext;m = PyImport_AddModule("__main__");                  // 导入__main__if (m == NULL)return -1;d = PyModule_GetDict(m);                               // 获取导入的__main__内容if (PyDict_GetItemString(d, "__file__") == NULL) {        // 设置当前执行文件的__file__属性值PyObject *f = PyString_FromString(filename);         if (f == NULL)return -1;if (PyDict_SetItemString(d, "__file__", f) < 0) {Py_DECREF(f);return -1;}Py_DECREF(f);}ext = filename + strlen(filename) - 4;                      if (maybe_pyc_file(fp, filename, ext, closeit)) {              // 尝试检查是否存在编译好的字节码文件，如果已经存在则先运行字节码文件/* Try to run a pyc file. First, re-open in binary */if (closeit)fclose(fp);if ((fp = fopen(filename, "rb")) == NULL) {fprintf(stderr, "python: Can't reopen .pyc file\n");return -1;}/* Turn on optimization if a .pyo file is given */if (strcmp(ext, ".pyo") == 0)Py_OptimizeFlag = 1;v = run_pyc_file(fp, filename, d, d, flags);} else {         v = PyRun_FileExFlags(fp, filename, Py_file_input, d, d,closeit, flags);                              // 运行源文件}if (v == NULL) {PyErr_Print();return -1;}Py_DECREF(v);if (Py_FlushLine())PyErr_Clear();return 0;
}

我们继续查看PyRun_FileExFlags

PyObject *
PyRun_FileExFlags(FILE *fp, const char *filename, int start, PyObject *globals,PyObject *locals, int closeit, PyCompilerFlags *flags)
{PyObject *ret;mod_ty mod;PyArena *arena = PyArena_New();                           // 初始化Python运行时的内存if (arena == NULL)return NULL;mod = PyParser_ASTFromFile(fp, filename, start, 0, 0,flags, NULL, arena);                        // 解析Python源文件到字节码内容if (mod == NULL) {PyArena_Free(arena);return NULL;}if (closeit)fclose(fp);ret = run_mod(mod, filename, globals, locals, flags, arena);     // 执行解释后的字节码PyArena_Free(arena);                                             // 释放Python申请的内存return ret;
}

此时，我们继续查看run_mod

static PyObject *
run_mod(mod_ty mod, const char *filename, PyObject *globals, PyObject *locals,PyCompilerFlags *flags, PyArena *arena)
{PyCodeObject *co;PyObject *v;co = PyAST_Compile(mod, filename, flags, arena);                // 解析生成自己码if (co == NULL)return NULL;v = PyEval_EvalCode(co, globals, locals);                       // 执行解析完成后的字节码Py_DECREF(co);return v;
}

我们进入PyEval_EvalCode查看字节码的执行

PyObject *
PyEval_EvalCode(PyCodeObject *co, PyObject *globals, PyObject *locals)
{/* XXX raise SystemError if globals is NULL */return PyEval_EvalCodeEx(co,globals, locals,(PyObject **)NULL, 0,(PyObject **)NULL, 0,(PyObject **)NULL, 0,NULL);
}

继续查看PyEval_EvalCodeEx

PyObject *
PyEval_EvalCodeEx(PyCodeObject *co, PyObject *globals, PyObject *locals,PyObject **args, int argcount, PyObject **kws, int kwcount,PyObject **defs, int defcount, PyObject *closure)
{...         // 输入参数等处理retval = PyEval_EvalFrameEx(f,0);
}

此时就进入PyEval_EvalFrameEx，该函数就是Python虚拟机执行的核心函数，该函数会在以后的分析中进行分析。
至此，Python的运行启动到结束的大致流程已经在代码中进行了大概的梳理。

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