Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么

本篇内容主要讲解“Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”吧!问题：在 Python 程序执行过程与字节码中，我们研究了Python程序的编译过程：通过Python解释器中的编译器对 Python 源码进行编译，最终获得代码对象 PyCodeObject 。编译器根据语法规则对源码进行作用域的划分，并以此为单位来编译源码，最终为每个作用域生成一个代码对象。代码对象则保存了字节码，以及相关名字、常量等静态上下文信息。当 Python 解释器加载一个模块或者执行函数时，会为对应的 PyCodeObject 创建一个 PyFrameObject 对象，并将其压入 Python 解释器的执行栈中。以函数为例，PyFrameObject 对象表示函数调用的栈帧对象，它包含了函数调用时的所有状态信息，包括局部变量、栈、当前指令等信息。具体地我们来看一下执行上下文的具体结构——PyFrameObject，源码如下：源码分析（只列出重要字段）：思考：PyFrameObject为什么没有记录闭包信息？f_back：表示当前栈帧的前一个栈帧，即调用当前函数的函数的栈帧。Python解释器使用这个字段来实现函数调用的递归和返回。如果当前函数是最外层函数，即没有调用它的函数，则该字段为NULL。f_code：表示当前栈帧对应的 PyCodeObject 对象，即当前函数的字节码和相关信息。Python 解释器使用这个字段来执行函数中的字节码指令。f_builtins：表示当前栈帧的内建变量字典，即当前函数中访问的所有内建函数和对象的名称和值。Python 解释器使用这个字段来实现对内建函数和对象的访问。f_locals：表示当前栈帧的局部变量字典，即当前函数的所有局部变量的名称和值。Python 解释器使用这个字段来实现变量的读取和写入操作。f_lasti：表示当前栈帧执行的最后一条指令的指令码在字节码序列中的索引。Python 解释器使用这个字段来记录当前函数执行的进度，以便在函数被中断或者函数返回时，能够恢复到正确的执行位置。f_lineno：表示当前栈帧执行的源代码行号。Python 解释器使用这个字段来跟踪当前函数的行号，以便在发生异常时能够提供更准确的错误信息。f_localsplus：表示当前栈帧的栈顶指针，即当前函数调用的栈的顶部。Python 解释器使用这个字段来实现函数调用的参数传递和返回值传递。PyFrameObject 对象本身不记录闭包相关的信息是出于设计上的考虑。一个主要的原因是为了保持执行栈的简洁性和高效性。闭包是一种在 Python 中广泛使用的编程模式，但是它在实现上是比较复杂的。在解释器执行 Python 代码时，一个函数在定义时可能没有引用外部变量，但是在运行时却可能引用了。因此，如果要记录函数中使用的外部变量，就需要在运行时动态地创建一个闭包对象，并将其与函数对象关联起来。这就会给执行栈的实现带来很大的复杂性。另一个原因是，闭包可能会被频繁地创建和销毁，而在执行栈中保存大量的闭包信息会导致执行效率变慢，甚至可能引起内存泄漏。因此，Python 解释器在设计执行栈时，选择不记录闭包相关的信息，以保持执行栈的简洁性和高效性。虽然 PyFrameObject 对象本身不记录闭包相关的信息，但是 Python 解释器可以通过其他方式来获取函数的闭包信息，例如通过函数对象的 closure 属性。PyFrameObject结构图如下：其中，f_code字段保存了当前执行的代码对象，最核心的字节码就在代码对象中。而f_lasti字段则保存着上条已执行字节码的编号。虚拟机内部用一个C局部变量next_instr维护下条字节码的位置，并据此加载下一条待执行的字节码指令，原理和CPU的指令指针寄存器（%rip）一样。另外，注意到f_back字段执行前一个栈帧对象，也就是调用者的栈帧对象。这样一来，栈帧对象按照调用关系串成一个调用链。现在，我们以具体例子来考察Python栈帧对象链以及函数调用之间的关系：当Python开始执行这个程序时，虚拟机先创建一个栈帧对象，用于执行模块代码对免费云主机域名象：当虚拟机执行到模块代码第13行时，发生了函数调用。这时，虚拟机会新建一个栈帧对象，并开始执行函数main()的代码对象：随着函数调用逐层深入，当调用square()函数时，调用链达到最长：当函数调用完毕后，虚拟机通过f_back字段找到前一个栈帧对象并回到调用者代码中继续执行。栈帧对象PyFrameObject中保存着Python运行时信息，在底层执行流控制以及程序调试中非常有用。在Python代码层面，我们可以通过sys模块中的_getframe()函数，即可获得当前栈帧对象：拿到栈帧对象之后，我们来具体看一下相关的属性值，以之前的求面积的函数为例：小拓展：自定义函数实现sys._getframe()功能：（这里是原作者举的一个例子，个人感觉对相关知识的理解是有帮助的）当Python程序抛出异常时，会将执行上下文带出来，保存在异常中：因此，我们可以自定义一个getframe()函数：注意：getframe()中通过异常获得的是自己的栈帧对象e.traceback.tb_frame，所以还需要通过f_back字段找到调用者的栈帧。Python 虚拟机执行代码对象的主要函数有两个：PyEval_EvalCodeEx() 是通用接口，一般用于函数这样带参数的执行场景：PyEval_EvalCode() 是更高层封装，用于模块等无参数的执行场景：这两个函数最终调用 _PyEval_EvalCodeWithName() 函数，初始化栈帧对象并调用 PyEval_EvalFrame 系列函数进行处理。栈帧对象将贯穿代码对象执行的始终，负责维护执行时所需的一切上下文信息。而PyEval_EvalFrame 系列函数最终调用 _PyEval_EvalFrameDefault() 函数，虚拟机执行的核心就在这里（具体源码这里就不讲解了）。到此，相信大家对“Python虚拟机栈帧对象及获取的方法是什么”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是百云主机网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！

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