python虚拟机pyc文件结构是什么

百变鹏仔 1个月前 (01-21) #Python

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PYC 文件

pyc 文件是 python 在解释执行源代码时生成的一种字节码文件，它包含了源代码的编译结果和相关的元数据信息，以便于 python 可以更快地加载和执行代码。

与编译型语言不同，Python 是一种解释型语言，不会将源代码直接编译成机器码并执行。在运行代码之前，Python 解释器会先将源代码编译成字节码，随后对字节码进行解释执行。.pyc 文件就是这个过程中生成的字节码文件。

当 Python 解释器首次执行一个 .py 文件时，它会在同一目录下生成一个对应的 .pyc 文件，以便于下次加载该文件时可以更快地执行。当源文件被修改并重新加载时，解释器会重新生成 .pyc 文件以更新缓存的字节码。

生成 PYC 文件

正常的 python 文件需要通过编译器变成字节码，然后将字节码交给 python 虚拟机，然后 python 虚拟机会执行字节码。整体流程如下所示：

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我们可以直接使用 compile all 模块生成对应文件的 pyc 文件。

➜  pvm lsdemo.py  hello.py➜  pvm python -m compileall .Listing '.'...Listing './.idea'...Listing './.idea/inspectionProfiles'...Compiling './demo.py'...Compiling './hello.py'...➜  pvm ls__pycache__ demo.py     hello.py➜  pvm ls __pycache__ demo.cpython-310.pyc  hello.cpython-310.pyc

python -m compileall . 命令将递归扫描当前目录下面的 py 文件，并且生成对应文件的 pyc 文件。

PYC 文件布局

第一部分魔数由两部分组成：

第一部分魔术是由一个 2 字节的整数和另外两个字符回车换行组成的， "" 也占用两个字节，一共是四个字节。这个两个字节的整数在不同的 python 版本还不一样，比如说在 python3.5 当中这个值为 3351 等值，在 python3.9 当中这个值为 3420，3421，3422，3423，3424等值（在 python 3.9 的小版本）。

第二部分 Bit Field 这个字段的主要作用是为了将来能够实现复现编译结果，但是在 python3.9a2 时，这个字段的值还全部是 0 。请参考PEP552-确定性pyc的详细内容。这个字段在 python2 和 python3 早期版本并没有（python3.5 还没有），在 python3 的后期版本这个字段才出现的。

第三部分就是整个 py 源文件的大小了。

第四部分也是整个 pyc 文件当中最重要的一个部分，最后一个部分就是一个 CodeObject 对象序列化之后的数据，我们稍后再来仔细分析一下这个对象相关的数据。

我们现在来具体分析一个 pyc 文件，对应的 python 代码为：

def f():    x = 1    return 2

pyc 文件的十六进制形式如下所示：

➜  __pycache__ hexdump -C hello.cpython-310.pyc00000000  6f 0d 0d 0a 00 00 00 00  b9 48 21 64 20 00 00 00  |o........H!d ...|00000010  e3 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|00000020  00 02 00 00 00 40 00 00  00 73 0c 00 00 00 64 00  |.....@...s....d.|00000030  64 01 84 00 5a 00 64 02  53 00 29 03 63 00 00 00  |d...Z.d.S.).c...|00000040  00 00 00 00 00 00 00 00  00 01 00 00 00 01 00 00  |................|00000050  00 43 00 00 00 73 08 00  00 00 64 01 7d 00 64 02  |.C...s....d.}.d.|00000060  53 00 29 03 4e e9 01 00  00 00 e9 02 00 00 00 a9  |S.).N...........|00000070  00 29 01 da 01 78 72 03  00 00 00 72 03 00 00 00  |.)...xr....r....|00000080  fa 0a 2e 2f 68 65 6c 6c  6f 2e 70 79 da 01 66 01  |.../hello.py..f.|00000090  00 00 00 73 04 00 00 00  04 01 04 01 72 06 00 00  |...s........r...|000000a0  00 4e 29 01 72 06 00 00  00 72 03 00 00 00 72 03  |.N).r....r....r.|000000b0  00 00 00 72 03 00 00 00  72 05 00 00 00 da 08 3c  |...r....r..........s....|000000d0  0c 00                                             |..|000000d2

因为数据使用小端表示方式，因此对于上面的数据来说：

第一部分魔数为：0xa0d0d6f 。
第二部分 Bit Field 为：0x0 。
第三部分最后一次修改日期为：0x642148b9 。
第四部分文件大小为：0x20 字节，也就是说 hello.py 这个文件的大小是 32 字节。

下面是一个小的代码片段用于读取 pyc 文件的头部元信息：

import structimport timeimport binasciifname = "./__pycache__/hello.cpython-310.pyc"f = open(fname, "rb")magic = struct.unpack('<l bit_filed print moddate filesz modtime f.close><p>上面的代码输出结果如下所示：</p><blockquote>bit field = b'00000000'magic 0xa0d0d6fmoddate (Mon Mar 27 15:41:45 2023)File Size 32</blockquote><p>有关 pyc 文件的详细操作可以查看 python 标准库 importlib/_bootstrap_external.py 文件源代码。</p><h4>CODEOBJECT</h4><p>在 CPython 中，CodeObject 是一个对象，它包含了 Python 代码的字节码、常量、变量、位置参数、关键字参数等信息，以及一些用于运行代码的元数据，如文件名、代码行号等。</p><p>在 CPython 中，当我们执行一个 Python 模块或函数时，解释器会先将其代码编译为 CodeObject，然后再执行。在编译过程中，解释器会将 Python 代码转换为字节码，并将其保存在 CodeObject 对象中。此后，每当我们调用该模块或函数时，解释器都会使用 CodeObject 中的字节码来执行代码。</p><p>CodeObject 对象是不可变的，一旦创建就不能被修改。这是因为 Python 代码的字节码是不可变的，而 CodeObject 对象包含了这些字节码，所以也是不可变的。</p><p>在本篇文章当中主要介绍 code object 当中主要的内容，以及简单介绍他们的作用，在后续的文章当中会仔细分析 code object 对应的源代码以及对应的字段的详细作用。</p><p>现在举一个例子来分析一下 pycdemo.py 的 pyc 文件，pycdemo.py 的源程序如下所示：</p><pre class="brush:py;">if __name__ == '__main__':    a = 100    print(a)

下面的代码是一个用于加载 pycdemo01.cpython-39.pyc 文件（也就是 hello.py 对应的 pyc 文件）的代码，使用 marshal 读取 pyc 文件里面的 code object 。

import marshalimport disimport structimport timeimport typesimport binasciidef print_metadata(fp):    magic = struct.unpack('<l def if><p>执行上面的程序输出结果如下所示：</p><pre class="brush:py;">magic number = 0xa0d0d61bit filed = 0time = Tue Mar 28 02:40:20 2023file size = 54code   argcount 0   nlocals 0   stacksize 2   flags 0040   code b'650064006b02721464015a01650265018301010064025300'  3           0 LOAD_NAME                0 (__name__)              2 LOAD_CONST               0 ('__main__')              4 COMPARE_OP               2 (==)              6 POP_JUMP_IF_FALSE       20  4           8 LOAD_CONST               1 (100)             10 STORE_NAME               1 (a)  5          12 LOAD_NAME                2 (print)             14 LOAD_NAME                1 (a)             16 CALL_FUNCTION            1             18 POP_TOP        &gt;&gt;   20 LOAD_CONST               2 (None)             22 RETURN_VALUE   consts      '__main__'      100      None   names ('__name__', 'a', 'print')   varnames ()   freevars ()   cellvars ()   filename './pycdemo01.py'   name '<module>'   firstlineno 3   lnotab b'08010401'</module>

下面是 code object 当中各个字段的作用：

首先需要了解一下代码块这个概念，所谓代码块就是一个小的 python 代码，被当做一个小的单元整体执行。在 Python 中常见的代码块包括函数体、类的定义和模块。
argcount，这个表示一个代码块的参数个数，这个参数只对函数体代码块有用，因为函数可能会有参数，比如上面的 pycdemo.py 是一个模块而不是一个函数，因此这个参数对应的值为 0 。
co_code，这个对象的具体内容就是一个字节序列，存储真实的 python 字节码，主要是用于 python 虚拟机执行的，在本篇文章当中暂时不详细分析。
co_consts，这个字段是一个列表类型的字段，主要是包含一些字符串常量和数值常量，比如上面的 ";main" 和 100 。
co_filename，这个字段的含义就是对应的源文件的文件名。
co_firstlineno，这个字段的含义为在 python 源文件当中第一行代码出现的行数，这个字段在进行调试的时候非常重要。
主要含义是标识该 code object 的类型的字段是 co_flags。0x0080 表示这个 block 是一个协程，0x0010 表示这个 code object 是嵌套的等等。
co_lnotab，这个字段的含义主要是用于计算每个字节码指令对应的源代码行数。
The main purpose of the field "co_varnames" is to indicate a name defined locally in a code object.。
co_names，和 co_varnames 相反，表示非本地定义但是在 code object 当中使用的名字。
co_nlocals，这个字段表示在一个 code object 当中本地使用的变量个数。
co_stackszie，因为 python 虚拟机是一个栈式计算机，这个参数的值表示这个栈需要的最大的值。
co_cellvars，co_freevars，这两个字段主要和嵌套函数和函数闭包有关。

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