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python解釋器spython使用及原理解析

更新時(shí)間：2019年08月24日 10:07:17 作者：知然

這篇文章主要介紹了python解釋器spython使用及原理解析,文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

簡(jiǎn)介

出于個(gè)人愛(ài)好和某種需求，我再16年對(duì)python的解釋器產(chǎn)生了濃厚興趣，并且下定決心重新實(shí)現(xiàn)一個(gè)版本。我個(gè)人再游戲服務(wù)器開(kāi)發(fā)中，對(duì)c++嵌入lua和python都有著豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，自認(rèn)為對(duì)二者的優(yōu)劣有著深刻的理解。

python針對(duì)lua的最大優(yōu)勢(shì)是python是完備的程序語(yǔ)言，類(lèi)、模塊包括豐富的庫(kù)和方便好用的字符串操作，可以說(shuō)python用來(lái)實(shí)現(xiàn)功能會(huì)優(yōu)雅很多，而lua最大的優(yōu)勢(shì)就是小巧高效，另外lua的lua_state是可以有多個(gè)實(shí)例的，這樣就可以多線程使用lua（一個(gè)線程單獨(dú)一個(gè)lua_state）,而python解釋器因?yàn)橛腥纸忉屍麈i，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)多python解釋器實(shí)例。

考慮到在嵌入python的應(yīng)用場(chǎng)景中，所用到python的功能都是比較簡(jiǎn)單通用的功能，比如類(lèi)、模塊，函數(shù)，一些復(fù)雜的類(lèi)庫(kù)也不常用，所以我就想實(shí)現(xiàn)一個(gè)不使用全局解釋器鎖，可以有多個(gè)python解釋器鎖的解釋器。所以16年底，我自己實(shí)現(xiàn)了一下python解釋器第一版，第一版是使用AST虛擬語(yǔ)法樹(shù)直接解析的，雖然做了必要的優(yōu)化，但是性能。。。。仍然不忍直視。

平常我一直吐槽python跑的沒(méi)有l(wèi)ua快，但是吐槽是一碼事，自己實(shí)現(xiàn)真的就是另一碼事了。我仔細(xì)分析了第一版性能低的原因是選錯(cuò)了路！python的虛擬機(jī)是講語(yǔ)法樹(shù)翻譯成ByteCode，然后有個(gè)Virtual Machine不斷的解釋bytecode，而vm的運(yùn)行又分堆棧模式和寄存器模式，python就是堆棧模式的，而lua是寄存器模式的，寄存器模式是現(xiàn)在的趨勢(shì)，這也是lua跑到更快的重要原因。我的第一版VM用AST直接跑，選錯(cuò)了路，無(wú)論如何也太快不了。

但是我仍然把這個(gè)第一版打了個(gè)分支，分享出來(lái)，因?yàn)楫?dāng)我實(shí)現(xiàn)用寄存器模式的VM的時(shí)候，感覺(jué)無(wú)論如何也無(wú)法設(shè)計(jì)的像AST直接解析的VM那樣優(yōu)雅、直接。AST直接解析的方式真的太直觀了，雖然效率很低，但是其仍然有很大的應(yīng)用價(jià)值。

比如protocolbuff、thrift這些通過(guò)定義語(yǔ)法文件生成代碼的這類(lèi)工具，對(duì)語(yǔ)法解析的效率要求不高，那么這個(gè)版本的VM再這些領(lǐng)域還是有很大的參考價(jià)值。

內(nèi)部實(shí)現(xiàn)層次：

Python BNF

一提到實(shí)現(xiàn)腳本解釋器，估計(jì)很多人都會(huì)撓頭，不知道從何入手。剛開(kāi)始我也是這樣，我把大學(xué)里的編譯原理從床底下一堆打入冷宮的數(shù)量翻出來(lái)，一頓猛看。但是仍然沒(méi)有找到很大頭緒，后來(lái)我就在python.org上一頓逛，也下載了python的源碼分析，源碼目錄有python的BNF描述文件，因?yàn)槲乙呀?jīng)看過(guò)一遍編譯原理了，BNF就看的很懂，從頭到尾讀了一遍了以后，靈光乍現(xiàn)啊！BNF就是完整的解析python語(yǔ)法的流程說(shuō)明??！截取一小段做個(gè)說(shuō)明：

compound_stmt: if_stmt | while_stmt | for_stmt | try_stmt | with_stmt | funcdef | classdef | decorated
if_stmt: 'if' test ':' suite ('elif' test ':' suite)* ['else' ':' suite]
while_stmt: 'while' test ':' suite ['else' ':' suite]
for_stmt: 'for' exprlist 'in' testlist ':' suite ['else' ':' suite]
try_stmt: ('try' ':' suite
     ((except_clause ':' suite)+
     ['else' ':' suite]
     ['finally' ':' suite] |
     'finally' ':' suite))
with_stmt: 'with' with_item (',' with_item)* ':' suite
with_item: test ['as' expr]
# NB compile.c makes sure that the default except clause is last
except_clause: 'except' [test [('as' | ',') test]]
suite: simple_stmt | NEWLINE INDENT stmt+ DEDENT

簡(jiǎn)單解釋下，python的Grammar BNF是從頂之下遞歸描述的。上面最上邊定義的是compound_stmt復(fù)雜語(yǔ)句，而compound_stmt有if、while、for、try、with、函數(shù)定義、類(lèi)定義、修飾器定義幾種，下面緊接著定義了if語(yǔ)句if_stmt的語(yǔ)法規(guī)則，這樣在c++實(shí)現(xiàn)解析python語(yǔ)法的時(shí)候，就可以從頂向下按照這個(gè)BNF嘗試解析，如果不滿足這個(gè)BNF語(yǔ)法要求的就報(bào)錯(cuò)。我為了生成跟這個(gè)BNF一致的代碼結(jié)構(gòu)，寫(xiě)了個(gè)python腳本解析這個(gè)BNF自動(dòng)生成C++的解析函數(shù)。生成的C++代碼示例如下：

class Parser{
public:
 ExprASTPtr parse(Scanner& scanner);

 //! single_input: NEWLINE | simple_stmt | compound_stmt NEWLINE
 ExprASTPtr parse_single_input();
 //! file_input: (NEWLINE | stmt)* ENDMARKER
 ExprASTPtr parse_file_input();
 //! eval_input: testlist NEWLINE* ENDMARKER
 ExprASTPtr parse_eval_input();
 //! decorator: '@' dotted_name [ '(' [arglist] ')' ] NEWLINE
 ExprASTPtr parse_decorator();
 //! decorators: decorator+
 ExprASTPtr parse_decorators();
 //! decorated: decorators (classdef | funcdef)
 ExprASTPtr parse_decorated();
 //! funcdef: 'def' NAME parameters ':' suite
 ExprASTPtr parse_funcdef();
 //! parameters: '(' [varargslist] ')'
 ExprASTPtr parse_parameters();
 //! varargslist: ((fpdef ['=' test] ',')*
 //!        fpdef ['=' test] (',' fpdef ['=' test])* [','])
 ExprASTPtr parse_varargslist();
 //! fpdef: NAME | '(' fplist ')'
 ExprASTPtr parse_fpdef();
 //! fplist: fpdef (',' fpdef)* [',']
 ExprASTPtr parse_fplist();
 //! stmt: simple_stmt | compound_stmt
 ExprASTPtr parse_stmt();
 //! simple_stmt: small_stmt (';' small_stmt)* [';'] NEWLINE
 ExprASTPtr parse_simple_stmt();
 //! small_stmt: (expr_stmt | print_stmt | del_stmt | pass_stmt | flow_stmt |
 //!       import_stmt | global_stmt | exec_stmt | assert_stmt)
 ExprASTPtr parse_small_stmt();
 //! expr_stmt: testlist (augassign (yield_expr|testlist) |
 ExprASTPtr parse_expr_stmt();
.................................

Scanner的實(shí)現(xiàn)

scanner負(fù)責(zé)解析python代碼，把python代碼分隔這一個(gè)個(gè)Token對(duì)象，并且Token對(duì)象的定義如下：

struct Token{
 Token():nTokenType(0), nVal(0), fVal(0.0), nLine(0){
 }

 std::string dump() const;
 int       nTokenType;
 int64_t     nVal;
 double     fVal;
 std::string   strVal;
 int       nLine;
};

enum ETokenType {
  TOK_EOF = 0,
  //TOK_DEF = -2,
  TOK_VAR = -4,
  TOK_INT = -5,
  TOK_FLOAT = -6,
  TOK_STR = -7,
  TOK_CHAR = -8,
};

nTokenType定義為ETokenType的枚舉。Scanner只掃描python代碼，而不解析語(yǔ)法，所有的python代碼都會(huì)解析成要么整數(shù)，要么浮點(diǎn)數(shù)要么字符串。這個(gè)跟原生的python是有區(qū)別的，原生python的數(shù)字對(duì)象可以表達(dá)任意數(shù)字，但是為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，做了簡(jiǎn)化處理，這也是參考了lua的實(shí)現(xiàn)方式每token對(duì)象會(huì)記錄所屬的行號(hào)，方便語(yǔ)法報(bào)錯(cuò)提供有用的信息。

具體scanner的實(shí)現(xiàn)就不貼出來(lái)了，感興趣的可以去查看源碼，還是比較簡(jiǎn)單的。

Parser的實(shí)現(xiàn)

Parser的頭文件是腳本解析BNF自動(dòng)生成的。負(fù)責(zé)把scanner解析的token列表，按照BNF的規(guī)則構(gòu)造成AST。AST節(jié)點(diǎn)對(duì)象定義為ExprAST：

class ExprAST {
public:
  ExprAST(){
  }
  virtual ~ExprAST() {}
  virtual PyObjPtr& eval(PyContext& context) = 0;

  unsigned int getFieldIndex(PyContext& context, PyObjPtr& obj);

  virtual PyObjPtr& getFieldVal(PyContext& context);
  virtual PyObjPtr& assignVal(PyContext& context, PyObjPtr& v){
    PyObjPtr& lval = this->eval(context);
    lval = v;
    return lval;
  }
  virtual void delVal(PyContext& context){
    PyObjPtr& lval = this->eval(context);
    lval = NULL;
  }

  virtual int getType() {
    return 0;
  }

public:
  std::string name;
  ExprLine  lineInfo;
  //std::vector<std::vector<int> > module2objcet2fieldIndex;
  std::vector<int>         module2objcet2fieldIndex;
};
class PyObj {
public:
  RefCounterData* getRefData(){
    return &refdata;
  }
  void release();
  typedef PySmartPtr<PyObj> PyObjPtr;
  PyObj():m_pObjIdInfo(NULL), handler(NULL){}
  virtual ~PyObj() {}

  int getType() const;
  virtual int getFieldNum() const { return m_objStack.size(); }
  static std::string dump(PyContext& context, PyObjPtr& self, int preBlank = 0);

  virtual PyObjPtr& getVar(PyContext& c, PyObjPtr& self, ExprAST* e);
  virtual const ObjIdInfo& getObjIdInfo() = 0;

  void clear(){
    m_objStack.clear();
  }
  inline PyObjHandler* getHandler() { return handler; }
  inline const PyObjHandler* getHandler() const { return handler; }
public:
  std::vector<PyObjPtr>  m_objStack;
  ObjIdInfo*        m_pObjIdInfo;
  PyObjHandler*      handler;
  RefCounterData      refdata;
};
typedef PyObj::PyObjPtr PyObjPtr;

ExprAST抽象了AST節(jié)點(diǎn)的幾個(gè)操作。最主要的就是求值操作eval。比如100求值就是100，'abc'求值就是字符串'abc',生成對(duì)應(yīng)的值對(duì)象。每個(gè)值對(duì)象都繼承PyObj。每個(gè)PyObj都會(huì)定義ObjHander接口用于實(shí)現(xiàn)python對(duì)象的各個(gè)操作，比如+、-、/等，不同的python值對(duì)象，響應(yīng)的操作是不一樣，這里利用了c++的多態(tài)。

class PyObjHandler{
public:
 virtual ~PyObjHandler(){}

 virtual int getType() const = 0;

 virtual std::string handleStr(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual std::string handleRepr(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual int handleCmp(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleBool(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual bool handleEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleLessEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleGreatEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleContains(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;

 virtual bool handleLess(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleGreat(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;

 virtual PyObjPtr& handleAdd(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleSub(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleMul(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleDiv(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleMod(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);


 virtual PyObjPtr& handleIAdd(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleISub(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIMul(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIDiv(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIMod(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);

 virtual PyObjPtr& handleCall(PyContext& context, PyObjPtr& self, std::vector<ArgTypeInfo>& allArgsVal,
                std::vector<PyObjPtr>& argAssignVal);
 virtual size_t  handleHash(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual bool handleIsInstance(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual long handleLen(PyContext& context, PyObjPtr& self);
 virtual PyObjPtr& handleSlice(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& startVal, int* stop, int step);
 virtual PyObjPtr& handleSliceAssign(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& k, PyObjPtr& v);
 virtual void handleSliceDel(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& k){}

 virtual void handleRelese(PyObj* data);
};

Python庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)的python庫(kù)列表如下：

list dict tuple copy string
datetime
json
math
os
random
open stringio
struct
sys
weak

總結(jié)

spython就是small python，本來(lái)想實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)版本的python解釋器，后來(lái)實(shí)現(xiàn)的比較順，一口氣把常用的python庫(kù)都實(shí)現(xiàn)了。spython最成功的部分就是ast的解析和執(zhí)行，代碼結(jié)構(gòu)清晰完全按照bnf的流程來(lái)，很直接明了。

缺點(diǎn)主要有二。一是語(yǔ)法報(bào)錯(cuò)還是太簡(jiǎn)陋，不夠友好。二是性能達(dá)不到原生python的性能。前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，要達(dá)到甚至超過(guò)原生python的水平，必須要實(shí)現(xiàn)基于寄存器的VM，這個(gè)已經(jīng)著手再弄了，暫時(shí)還不會(huì)放出代碼，等差不多成型了再放出來(lái)吧。

代碼地址：https://git.oschina.net/ownit/spython

構(gòu)建：Linux下直接make就可以了，win下需要用dev c++

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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