python解释器[源代码层面]

本文主要是介绍python解释器[源代码层面]，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 PyDictObject

在c++中STL中的map是基于 RB-tree平衡二元树实现，搜索的时间复杂度为O(log2n)

Python中PyDictObject是基于散列表(散列函数)实现，搜索时间最优为O(1)

1.1 散列列表

问题：散列冲突：多个元素计算得到相同的哈希值

解决方法：

(1)开链法

(2)开放地址法：二次探测法（python中用的）

通过增加一个二次函数形式的偏移量来查找下一个空闲位置。哈希表的大小为m，一个元素的初始位置由哈希函数 h(x)决定。若发生冲突，则将元素插入到位置 (h(x)+i^2)mod m处，其中i是探测的步数。探测序列是一个二次序列，例如：1^2，(-1)^2，2^2，(-2)^2在表中寻找下一个可用位置。

从一个位置出发可依次到达多个位置，形成“冲突探测链”（注意删除链上元素导致的断链，采用伪删除技术。）

1.2 定义

typedef struct {/* Cached hash code of me_key. */Py_hash_t me_hash; //存储me_key的散列值，维护该值是避免每次查询时重新计算PyObject *me_key;PyObject *me_value; /* This field is only meaningful for combined tables */
} PyDictKeyEntry;

entry生存周期的四种状态

unused态：me_key/me_value都是null（entry在初始化的时候）。
Active态：entry存储了键值对的状态。
Dummy态：me_key指向dummy对象（伪删除）。
Pending态：键!=空，值=空(仅拆分)，尚未插入到拆分表中。

/* The ma_values pointer is NULL for a combined table* or points to an array of PyObject* for a split table*/
typedef struct {PyObject_HEADPy_ssize_t ma_used;    /*字典中项的数量*/
#ifdef Py_BUILD_COREuint64_t ma_version_tag; /*表示字典中对象版本*/
#elsePy_DEPRECATED(3.12) uint64_t ma_version_tag; /*表示字典中对象版本*/
#endif/*若ma_values为空，则表是结合的，键与值都存储在ma_keys中*//*若ma_values不为空，则表是分开的，键存储在ma_keys中，值存储在ma_values*/PyDictKeysObject *ma_keys; /*实际存储数据的哈希表，具体有两种存储方式*/PyDictValues *ma_values; //根据两种存储方式决定是否有值
} PyDictObject;

struct _dictkeysobject {Py_ssize_t dk_refcnt;//引用计数器数目/* Size of the hash table (dk_indices). It must be a power of 2. */uint8_t dk_log2_size; //这张哈希表的大小（最大存储的元素的数目）/* Size of the hash table (dk_indices) by bytes. */uint8_t dk_log2_index_bytes; //哈希表大小的字节数/* Kind of keys */uint8_t dk_kind; //类型的键/* Version number -- Reset to 0 by any modification to keys */uint32_t dk_version; //版本号/* Number of usable entries in dk_entries. */Py_ssize_t dk_usable; //在dk_entries中可用的数量/* Number of used entries in dk_entries. */Py_ssize_t dk_nentries; //在dk_entries中使用的数量(8个字节)/* Actual hash table of dk_size entries. It holds indices in dk_entries,or DKIX_EMPTY(-1) or DKIX_DUMMY(-2).Indices must be: 0 <= indice < USABLE_FRACTION(dk_size).The size in bytes of an indice depends on dk_size:- 1 byte if dk_size <= 0xff (char*)- 2 bytes if dk_size <= 0xffff (int16_t*)- 4 bytes if dk_size <= 0xffffffff (int32_t*)- 8 bytes otherwise (int64_t*)Dynamically sized, SIZEOF_VOID_P is minimum. */char dk_indices[];  /* 索引，一个元素一个字节 *//* "PyDictKeyEntry or PyDictUnicodeEntry dk_entries[USABLE_FRACTION(DK_SIZE(dk))];" array follows:see the DK_ENTRIES() macro */
};

1.3 python3.6+的存储方法

第一条key-value，计算inx=hash(key)%num，num是索引表长，索引表中存放着对于enries的偏移量。
依据indices[inx]的值(偏移量)存放Hash value=hash(key)、key、value
若该位置已经有元素，则根据冲突解决策略找下一个空闲的索引。
查找键的时候同样流程，并比较键与值来确定是否需要所需元素。

---------------后续有必要再继续写---------------------------------------------------

2 解释器

2.1组成

编译器：得到字节码的编译结果(import py文件、import compileall、内建函数compile后会得到.pyc文件)

虚拟机：执行字节码

执行环境：字典对象，维护运行过程中动态创建的变量和变量名与变量值的映射。

2.2执行脚本流程

1.完成模块的加载和链接

2.将源代码编译为PyCodeObject对象，并将其写入内存，使得CPU快速读取，加快程序运行

注：字节码与PyCodeObject对象的关系？

PyCodeObject对象包含字符串，常量值，操作（字节码）等静态信息（运行时存储在PyCodeObject对象中，运行结束后存储在pyc文件）

3.从内存空间中读取指定并执行（虚拟机完成）

编译器与虚拟机在：python .dll

4.程序结束后根据调用的操作指令决定是否也将PyCodeObject对象写入硬盘，即.pyc文件或.pyo文件。

5.下一次再执行该脚本，则先检查本地是否有上述.pyc文件。如有，则执行。

2.3PyCodeObject

struct PyCodeObject{                                                    \PyObject_VAR_HEAD                                                          \\/* Note only the following fields are used in hash and/or comparisons      \*                                                                         \* - co_name                                                               \* - co_argcount                                                           \* - co_posonlyargcount                                                    \* - co_kwonlyargcount                                                     \* - co_nlocals                                                            \* - co_stacksize                                                          \* - co_flags                                                              \* - co_firstlineno                                                        \* - co_consts                                                             \* - co_names                                                              \* - co_localsplusnames                                                    \* This is done to preserve the name and line number for tracebacks        \* and debuggers; otherwise, constant de-duplication would collapse        \* identical functions/lambdas defined on different lines.                 \*/                                                                        \\/* These fields are set with provided values on new code objects. */       \\/* The hottest fields (in the eval loop) are grouped here at the top. */   \PyObject *co_consts;           /* list (constants used) */                 \PyObject *co_names;            /* list of strings (names used) */          \PyObject *co_exceptiontable;   /* Byte string encoding exception handling  \table */                                 \int co_flags;                  /* CO_..., see below */                     \\/* The rest are not so impactful on performance. */                        \int co_argcount;              /* #arguments, except *args */               \int co_posonlyargcount;       /* #positional only arguments */             \int co_kwonlyargcount;        /* #keyword only arguments */                \int co_stacksize;             /* #entries needed for evaluation stack */   \int co_firstlineno;           /* first source line number */               \\/* redundant values (derived from co_localsplusnames and                   \co_localspluskinds) */                                                  \int co_nlocalsplus;           /* number of local + cell + free variables */ \int co_framesize;             /* Size of frame in words */                 \int co_nlocals;               /* number of local variables */              \int co_ncellvars;             /* total number of cell variables */         \int co_nfreevars;             /* number of free variables */               \uint32_t co_version;          /* version number */                         \\PyObject *co_localsplusnames; /* tuple mapping offsets to names */         \PyObject *co_localspluskinds; /* Bytes mapping to local kinds (one byte    \per variable) */                          \PyObject *co_filename;        /* unicode (where it was loaded from) */     \PyObject *co_name;            /* unicode (name, for reference) */          \PyObject *co_qualname;        /* unicode (qualname, for reference) */      \PyObject *co_linetable;       /* bytes object that holds location info */  \PyObject *co_weakreflist;     /* to support weakrefs to code objects */    \_PyCoCached *_co_cached;      /* cached co_* attributes */                 \uint64_t _co_instrumentation_version; /* current instrumentation version */  \_PyCoMonitoringData *_co_monitoring; /* Monitoring data */                 \int _co_firsttraceable;       /* index of first traceable instruction */   \/* Scratch space for extra data relating to the code object.               \Type is a void* to keep the format private in codeobject.c to force     \people to go through the proper APIs. */                                \void *co_extra;                                                            \char co_code_adaptive[(SIZE)];                                             \
}

1.一个命名空间对应一个PyCodeObject对象。

2.类、函数、module都对应一个独立的命名空间(存在嵌套关系)。