Python虚拟机需要CPU来执行字节码吗？

Question

Python虚拟机需要CPU来执行字节码吗？字节码是否转换为机器码，然后CPU参与该过程？

Answer 1

为了在任何计算机上运行应用程序，其代码必须始终以某种方式转换为机器代码，然后由 CPU 执行。问题在于这种情况何时以及如何发生。

让我尝试向您展示 Python 如何有效地执行字节码。

编译器与解释器

想象一下，你计算机中的 CPU 除了拉丁语之外什么都不懂。您想向其发送一封包含详细说明或请求的信件，但您不会说拉丁语。因此，您将聘请一位翻译人员：为您将您的“英语”字母（或您使用的任何语言）翻译成拉丁语的人。

像 C 或 Rust 这样的编译语言会获取你的整个字母，将其全部翻译成拉丁语并进行真正的润色。结果是一封翻译后的信件充满诗意且使用复杂的语言。另一方面，像 Python 这样的解释器一次翻译一个单词或一个句子；它更像是您在新闻中遇到的口译员，可以翻译外语人士所说的内容。

字节码

从 C、Rust 或 Python 等语言到机器代码的完整翻译过程非常复杂，需要仔细分析原始程序代码。为了避免一遍又一遍地分析程序代码，Python 解释器只会执行一次，然后生成字节码，该字节码非常接近 Python 代码的表示，但分为基本元素。

让我们看一个非常简单的 Python 函数：

def f(x):
    y = (x + 1)*(x - 1)
    return y

该函数中的计算包含多项计算，所有计算都必须按正确的顺序执行。字节码反映了这一点：

    LOAD_VAR     x    # x+1
    LOAD_CONST   1
    ADD
    LOAD_VAR     x    # x-1
    LOAD_CONST   1
    SUBTRACT
    MULTIPLY          # ()*()
    STORE_VAR    y    # y = ...
    LOAD_VAR     y
    RETURN

事实上，Python 中的字节码通常是 Python 代码本身的非常接近的表示，只是分解为“原子”简单操作的片段。

在内部，每个字节码指令都有一个数值（实际上适合一个字节，因此得名）。例如LOAD_VAR = 124、LOAD_CONST = 100、ADD = 23等。局部变量和常量值也用数字来表示。因此，如果我们分配x = 01和y = 02，上面的代码就变成：

  124,  01, 100,  01,  23, 124,  01, 100,  01,  
   24,  20, 125,  02, 124,  02,  83

执行字节码

下面您将找到一个简单且简约的“Python 字节码”解释器，它能够执行我们在开始时定义的函数。Python 的实际字节码解释器是用 C 编写的，因此可以编译为高效的机器代码。但原理是完全一样的。

它使用堆栈来保存中间值。也就是说，每个操作的结果都附加到一个列表中。进一步处理这些结果的操作将它们从列表的末尾取出，执行某些操作（例如将它们加在一起），然后将结果附加回列表（但是在执行减法或除法等操作时必须小心，以保持正确的顺序）。

将字节码排列成指令和参数对很方便。有些指令（如 ADD）没有参数，因此我们只0在这种情况下使用。但这里使用的代码仍然是上面介绍的字节码。

    LOAD_VAR     x    # x+1
    LOAD_CONST   1
    ADD
    LOAD_VAR     x    # x-1
    LOAD_CONST   1
    SUBTRACT
    MULTIPLY          # ()*()
    STORE_VAR    y    # y = ...
    LOAD_VAR     y
    RETURN

您实际上可以查看常量值列表（尽管它们实际上是元组，而不是列表），或者使用以下方式定义局部变量的顺序：

  124,  01, 100,  01,  23, 124,  01, 100,  01,  
   24,  20, 125,  02, 124,  02,  83

当然，更方便的是使用检查和dis模块。