程序本质

回忆上次内容

• py 的程序是按照顺序

• 一行行挨排解释执行的

• 我们可以 python3 -m pdb hello.py 来对程序调试

• 调试的目的是去除 bug

• 别害怕 bug

• bug 会有提示

• 我们也就知道如何 debug 调试

• python3 到底是个啥呢？🤔

• python3 又是怎么解释 hello.py 的？

• 我们得先来看看 游乐场python3 到底是个啥？

python3 到底是个啥？

#什么是python3

sudo whatis python3

#如果不能解释

sudo unminimize

更新manual# 更新时间比较长，更新结束后再

sudo whatis python3

• 帮助手册告诉我们

• python3 是一种解释性的、可交互的、面向对象的编程语言

python3 在哪？

#python3在哪里？

whereis python3

#可执行的这个东西到底在哪？

which python3

• 系统告诉我们

• python3 这个游乐场在硬盘上

• 路径是/usr/bin/python3

在文件管理器中查看

• 这个 python3 是一个软链接文件

• 他指向 python3.8

• python3 就是 python3.8

• 他俩存在一个位置

• 都在 /usr/bin 里面

• python3.8 就在硬盘里呆着

• usr 是 unix software resource

• bin 是二进制 binary

• python3.8 是这个文件的名称

• 位置就在/usr/bin/python3.8

• 在运行命令的时候

• 把这个文件从硬盘装载到内存

• 然后用 cpu 开始逐行执行文件内容中的指令

研究 python3

#把python3拷贝到~(当前用户文件夹)

cp /usr/bin/python3 ~

#确认python3已经拷到~(当前用户文件夹)

ls ~/python3

#查看python3文件细节

ls -lah ~/python3

#试着运行用户文件夹下的这个刚考过来的python3~/python3

• python3 指向的 python3.8 只有 5.3M

• 这个可执行文件怎么这么小？

• 5.3M 这也就是一张照片的大小

• 一年前的 Python3.5 只有 4.3M

• 更小

• 目前这 5.3M 的 Python3 里面到底有什么呢？🤔

• 打开看看！！！👊

打开 python3

#用vi打开这个刚拷贝过来的python3vi ~/python3

• 这个样子看起来

• 全是乱码

• 完全看不懂啊

• 这个东西我们确实看不懂

• 但是有人能看懂

• 谁呢？

机器指令

• 这个乱码我们看不懂

• 但是cpu能看懂

• 这就是cpu的一条条的指令

• 都是二进制形式的

• 我们尝试把这种文本形式转化为二进制

• 左下角:进入命令行模式

• :%!xxd我们可以看到这个文件的二进制形态

• %是指的对于所有行的范围

• !是执行外部命令

• xxd指的是转化为 16 进制形式

• 这个 xxd 命令 到底什么意思🤔

• :q!退回到 shell 来看一下

关于 xxd

• man xxd

• 查询 xxd 的帮助手册

• xxd 可以查看文件的二进制形态

• :xxd –r 可以还原回去 😉

• 进入vi ~/python3

• :%!xxd

• :%!xxd –r

• 反复横跳

对比

• 重新 vi ~/python3

• :%!xxd

• 一行是（16）10 进制  个字节

• G到最后一行

• 总共有 343148 行

• 这就是 真正的机器语言🤭

• cpu对应的指令和数据

• 存在硬盘上 01010 的二进制可执行指令！！

• 这些指令其实都能执行！！！

• 可是这个指令我们看不懂怎么办？🤔

查看 python3 汇编指令

#把python3对应的机器语言输出为汇编指令形式objdump -d ~/python3 > ~/python3.asm#分窗口分别打开打开python3 和 python3.asmvi -o python3 python3.asm

• 下图中上半部分是机器代码

• 执行 :%!xxd 以 16 进制形式显示

• 下半部分是得到的相应汇编指令

• 这个过程就是反汇编🧐

查找对应关系

• 423000 就是初始的 cpu 开始执行指令的地址

• 第一行

• endbr64 意味着 64位结束分支

• 下面的是cpu指令对应的机器语言

• 前面可以是数据

• 第二行

• /4883 找到上下的对应关系

• 也就是第一条执行的汇编指令

• 汇编指令是计算机 cpu 指令的助记符

• 指令的集合就是计算机的架构

• 架构也叫指令集

• 那什么叫做指令集呢？

架构

• 不同架构的 cpu 会有不同的指令集

• 我们目前的这个是 x86-64

• 除此之外 arm、MIPS、RISC-V 也是常用的指令集

• 不同的架构想运行相同的程序就需要移植

• 就像让一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪书来砌墙

• 鸡同鸭讲

• 驴唇不对马嘴

• 如果不移植的话

• 这里会有不同的 section 模块

• 最初的是 init

• 作用是初始化initialization

• 模块里面是具体的指令

• 这是一条什么样的指令呢？

• 比如第一句 48 83 ec 08

查看指令集

• 想要指定机器语言对应的指令

• 首先要了解到当前机器所用的指令集

• 可以在 shell 用 uname -a 进行查看本机所用的指令集

• 当前机器所用的架构指令集是x86_64

• 那么48 83 ec 08 对应 什么指令呢？

查询x86_64指令集

• 找到cpu的手册

• https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-instruction-set-reference-manual-325383.pdf

• 查找 48 83 ec 08 对应哪一条指令

• 找起来真的很费劲

• 48 83 ec 08 对应 sub $0x8,%rsp

• 是一条减法指令

• 和objdump的结果是一致的

• 废话！！！

• 除了减法指令sub之外，还有什么指令呢？

各种cpu指令

• 有运算的

• 有移位的

• 加减乘除都有

• 这就是cpu运行的基础！

• 那么python3 运行 hello.py的过程又是如何的呢？

python3 执行过程

• 不管是python3这个游乐场

• 还是hello.py这个python程序

• 都在我们的硬盘上

• 从硬盘读到内存

python3 执行的过程大致是这样

• 首先把python3这个主程序加载到内存中

• 然后把参数 hello.py 这个需要执行的程序加载到内存并生成一棵语法树

• 比如 print("hello")

• 这就是一个语句

• 分析 hello.py 词法结构

• 把文件分成一个个 单词

• 通过单词组成表达式

• 通过表达式组成语句

• 对于生成的语法树

• 进行解释并且执行

换句话说

• 简化版的 hello.py 的执行过程是：

• 也就是把硬盘上的文件装载到内存

• python3 完成后续工作

• 系统执行 python3 这个可执行文件

• 给了 python3 一个参数 hello.py

• 使用 python3 这个解释器来解释 hello.py

• 一句句地依次解释执行

• 全解释完成后

• 退出python这个程序

• 把控制权交回到shell

• 这些都是基于解释器python3.8的

• 而解释器是用目标架构的机器语言直接在cpu上运行的

• 那不同的cpu架构、不同的系统，python都能正确地解释么？

架构的层次

• 不同架构的 cpu 都可以运行 python

• risc-v

• arm

• x64

• mips

• 龙芯

• 不同系统的环境都可以运行 python

• win

• mac

• linux

• 由于python3可以运行在不同的cpu架构和系统上

• python程序可以跨架构、跨系统进行解释执行

• 不同的架构

• 二进制对应的汇编指令都不一样

• 怎么能正确解释执行同样的python程序呢？

跨架构跨平台原理

• 因为 /usr/bin/python3.8 本身是二进制文件

• 是基于当前操作系统当前架构编译出来的可执行二进制文件

• 不同的架构有不同的编译器

• 不同的编译器编译出来的python解释器对应不同的二进制指令序列

• python3.8 构建了一个运行时环境

• 这个环境可以解释读到的python语句

• 把python语句翻译成系统能读懂输入输出

• 翻译成当前物理架构能够执行的代码

• 然后边解释边执行

总结

• python3 的程序是一个 5.3M 的可执行文件

• objdump -d ~/python3 > python3.asm

• python3 里面全都是 cpu 指令

• 可以执行的那种

• 我们可以把指令对应的汇编找到

• 汇编语句是和当前机器架构的指令集相关的

• uname -a可以查询指令集

• 我们执行的过程其实就

• 系统执行python3这个可执行文件

• 给了python3一个参数hello.py

• python3对于hello.py一句句的解释执行

• 在显示器输出了hello world

• python3执行完毕

• 把控制权交回给 shell

• 这就是我们执行hello world的过程

• 为什么我们学编程总是从hello world开始呢？🤔

• 我们下次再说！*