upd:

18.03.2024

Александр Попов

24.5K

6

Как работает Python: интерпретатор, байт-код, PVM

Python — интерпретируемый язык программирования. Он не конвертирует свой код в машинный, который понимает железо (в отличие от С и С++). Вместо этого, Python-интерпретатор переводит код программы в байт-код, который запускается на виртуальной машине Python (PVM). Давайте рассмотрим подробнее, как это работает на примере самой популярной реализации интерпретатора — CPython.

Интерпретатор — это программа, которая конвертирует ваши инструкции, написанные на Python, в байт-код и выполняет их. По сути интерпретатор — это программный слой между вашим исходным кодом и железом.

Существует 2 типа интерпретаторов:

• Простой интерпретатор. Он берет одну инструкцию, транслирует и сразу выполняет ее, а затем берет следующую инструкцию.
• Интерпретатор компилирующего типа. Это система из компилятора и интерпретатора. Компилятор переводит исходный код программы в промежуточное представление (байт-код), а интерпретатор (виртуальная машина) выполняет этот байт-код.

CPython:

• Интерпретатор компилирующего типа (благодаря этому достигается большее быстродействие выполнения программ).
• Считается эталонной реализацией языка Python.
• Написан на C.
• Исходный код CPython находится в открытом доступе.
• Его разработка ведётся группой разработчиков под руководством Гвидо ван Россума — создателя Python.

Кроме этого, у интерпретатора CPython есть особенность — он может работать в режиме диалога (REPL — read-eval-print loop). Интерпретатор считывает законченную конструкцию языка, выполняет её, печатает результаты и переходит к ожиданию ввода пользователем следующей конструкции.

Как CPython выполняет программы

Интерпретатор "Питона" выполняет любую программу поэтапно.

Этап #1. Инициализация

После запуска вашей программы, Python-интерпретатор читает код, проверяет форматирование и синтаксис. При обнаружении ошибки он незамедлительно останавливается и показывает сообщение об ошибке.

Помимо этого, происходит ряд подготовительных процессов:

• анализ аргументов командной строки;
• установка флагов программы;
• чтение переменных среды и т.д.

Этап #2. Компиляция

Интерпретатор транслирует (переводит) исходные инструкции вашей программы в байт-код (низкоуровневое, платформонезависимое представление исходного текста). Такая трансляция необходима в первую очередь для повышения скорости — байт-код выполняется в разы быстрее, чем исходные инструкции.

Если Python-интерпретатор обладает правом записи, он будет сохранять байт-код в виде файла с расширением .pyc. Если исходный текст программы не изменился с момента последней компиляции, при следующем запуске вашей программы, Python сразу загрузит файл .pyc, минуя этап компиляции (тем самым ускорит процесс запуска программы).

Этап #3. Выполнения

Как только байт-код скомпилирован, он отправляется на виртуальную машину Python (PVM). Здесь выполняется байт-код на PVM. Если во время этого выполнения возникает ошибка, то выполнение останавливается с сообщением об ошибке.

PVM является частью Python-интерпретатора. По сути это просто большой цикл, который выполняет перебор инструкций в байт-коде и выполняет соответствующие им операции.

Альтернативы CPython

CPython является стандартной реализацией, но существуют и другие реализации, созданные для специфических целей и задач.

Jython

Основная цель данный реализации — тесная интеграция с языком Java. Работает следующим образом:

1. Java-классы выполняют компиляцию программного кода на языке Python в байт-код Java.
2. Полученный байт-код запускается на виртуальной машине Java (JVM).

Jython позволить Python-программам управлять Java-приложениями. Во время выполнения такая программа ведет себя точно так же, как настоящая программа на языке Java.

IronPython

Предназначена для обеспечения интеграции Python-программ с C# приложениями на Microsoft .NET Framework или Mono. Принцип работы такой же, как и у Jython.

PyPy

PyPy — это интерпретатор Python, написанный на Python (если быть точнее, то на RPython).

Особенностью PyPy является использование трассирующего JIT-компилятора (just-in-time), который на лету транслирует некоторые элементы в машинный код. Благодаря этому, при выполнении некоторых операций PyPy обгоняет CPython в несколько раз. Но плата за такую производительность — более высокое потребление памяти.