程序本質(zhì)

回憶上次內(nèi)容

• py 的程序是按照順序

• 一行行挨排解釋執(zhí)行的

• 我們可以 python3 -m pdb hello.py 來(lái)對(duì)程序調(diào)試

• 調(diào)試的目的是去除 bug

• 別害怕 bug

• bug 會(huì)有提示

• 我們也就知道如何 debug 調(diào)試

• python3 到底是個(gè)啥呢？??

• python3 又是怎么解釋 hello.py 的？

• 我們得先來(lái)看看 游樂(lè)場(chǎng)python3 到底是個(gè)啥？

python3 到底是個(gè)啥？

#什么是python3

sudo whatis python3

#如果不能解釋

sudo unminimize

更新manual# 更新時(shí)間比較長(zhǎng)，更新結(jié)束后再

sudo whatis python3

• 幫助手冊(cè)告訴我們

• python3 是一種解釋性的、可交互的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言

python3 在哪？

#python3在哪里？

whereis python3

#可執(zhí)行的這個(gè)東西到底在哪？

which python3

• 系統(tǒng)告訴我們

• python3 這個(gè)游樂(lè)場(chǎng)在硬盤(pán)上

• 路徑是/usr/bin/python3

在文件管理器中查看

• 這個(gè) python3 是一個(gè)軟鏈接文件

• 他指向 python3.8

• python3 就是 python3.8

• 他倆存在一個(gè)位置

• 都在 /usr/bin 里面

• python3.8 就在硬盤(pán)里呆著

• usr 是 unix software resource

• bin 是二進(jìn)制 binary

• python3.8 是這個(gè)文件的名稱

• 位置就在/usr/bin/python3.8

• 在運(yùn)行命令的時(shí)候

• 把這個(gè)文件從硬盤(pán)裝載到內(nèi)存

• 然后用 cpu 開(kāi)始逐行執(zhí)行文件內(nèi)容中的指令

研究 python3

#把python3拷貝到~(當(dāng)前用戶文件夾)

cp /usr/bin/python3 ~

#確認(rèn)python3已經(jīng)拷到~(當(dāng)前用戶文件夾)

ls ~/python3

#查看python3文件細(xì)節(jié)

ls -lah ~/python3

#試著運(yùn)行用戶文件夾下的這個(gè)剛考過(guò)來(lái)的python3~/python3

• python3 指向的 python3.8 只有 5.3M

• 這個(gè)可執(zhí)行文件怎么這么小？

• 5.3M 這也就是一張照片的大小

• 一年前的 Python3.5 只有 4.3M

• 更小

• 目前這 5.3M 的 Python3 里面到底有什么呢？??

• 打開(kāi)看看！?。??

打開(kāi) python3

#用vi打開(kāi)這個(gè)剛拷貝過(guò)來(lái)的python3vi ~/python3

• 這個(gè)樣子看起來(lái)

• 全是亂碼

• 完全看不懂啊

• 這個(gè)東西我們確實(shí)看不懂

• 但是有人能看懂

• 誰(shuí)呢？

機(jī)器指令

• 這個(gè)亂碼我們看不懂

• 但是cpu能看懂

• 這就是cpu的一條條的指令

• 都是二進(jìn)制形式的

• 我們嘗試把這種文本形式轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制

• 左下角:進(jìn)入命令行模式

• :%!xxd我們可以看到這個(gè)文件的二進(jìn)制形態(tài)

• %是指的對(duì)于所有行的范圍

• !是執(zhí)行外部命令

• xxd指的是轉(zhuǎn)化為 16 進(jìn)制形式

• 這個(gè) xxd 命令 到底什么意思??

• :q!退回到 shell 來(lái)看一下

關(guān)于 xxd

• man xxd

• 查詢 xxd 的幫助手冊(cè)

• xxd 可以查看文件的二進(jìn)制形態(tài)

• :xxd –r 可以還原回去 ??

• 進(jìn)入vi ~/python3

• :%!xxd

• :%!xxd –r

• 反復(fù)橫跳

對(duì)比

• 重新 vi ~/python3

• :%!xxd

• 一行是（16）10 進(jìn)制 ?個(gè)字節(jié)

• G到最后一行

• 總共有 343148 行

• 這就是 真正的機(jī)器語(yǔ)言??

• cpu對(duì)應(yīng)的指令和數(shù)據(jù)

• 存在硬盤(pán)上 01010 的二進(jìn)制可執(zhí)行指令??！

• 這些指令其實(shí)都能執(zhí)行?。?！

• 可是這個(gè)指令我們看不懂怎么辦？??

查看 python3 匯編指令

#把python3對(duì)應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言輸出為匯編指令形式objdump -d ~/python3 > ~/python3.asm#分窗口分別打開(kāi)打開(kāi)python3 和 python3.asmvi -o python3 python3.asm

• 下圖中上半部分是機(jī)器代碼

• 執(zhí)行 :%!xxd 以 16 進(jìn)制形式顯示

• 下半部分是得到的相應(yīng)匯編指令

• 這個(gè)過(guò)程就是反匯編??

查找對(duì)應(yīng)關(guān)系

• 423000 就是初始的 cpu 開(kāi)始執(zhí)行指令的地址

• 第一行

• endbr64 意味著 64位結(jié)束分支

• 下面的是cpu指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言

• 前面可以是數(shù)據(jù)

• 第二行

• /4883 找到上下的對(duì)應(yīng)關(guān)系

• 也就是第一條執(zhí)行的匯編指令

• 匯編指令是計(jì)算機(jī) cpu 指令的助記符

• 指令的集合就是計(jì)算機(jī)的架構(gòu)

• 架構(gòu)也叫指令集

• 那什么叫做指令集呢？

架構(gòu)

• 不同架構(gòu)的 cpu 會(huì)有不同的指令集

• 我們目前的這個(gè)是 x86-64

• 除此之外 arm、MIPS、RISC-V 也是常用的指令集

• 不同的架構(gòu)想運(yùn)行相同的程序就需要移植

• 就像讓一個(gè)意大利泥瓦匠看一份中文寫(xiě)成的烹飪書(shū)來(lái)砌墻

• 雞同鴨講

• 驢唇不對(duì)馬嘴

• 如果不移植的話

• 這里會(huì)有不同的 section 模塊

• 最初的是 init

• 作用是初始化initialization

• 模塊里面是具體的指令

• 這是一條什么樣的指令呢？

• 比如第一句 48 83 ec 08

查看指令集

• 想要指定機(jī)器語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的指令

• 首先要了解到當(dāng)前機(jī)器所用的指令集

• 可以在 shell 用 uname -a 進(jìn)行查看本機(jī)所用的指令集

• 當(dāng)前機(jī)器所用的架構(gòu)指令集是x86_64

• 那么48 83 ec 08 對(duì)應(yīng) 什么指令呢？

查詢x86_64指令集

• 找到cpu的手冊(cè)

• 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 對(duì)應(yīng)哪一條指令

• 找起來(lái)真的很費(fèi)勁

• 48 83 ec 08 對(duì)應(yīng) sub $0x8,%rsp

• 是一條減法指令

• 和objdump的結(jié)果是一致的

• 廢話?。。?/p>

• 除了減法指令sub之外，還有什么指令呢？

各種cpu指令

• 有運(yùn)算的

• 有移位的

• 加減乘除都有

• 這就是cpu運(yùn)行的基礎(chǔ)！

• 那么python3 運(yùn)行 hello.py的過(guò)程又是如何的呢？

python3 執(zhí)行過(guò)程

• 不管是python3這個(gè)游樂(lè)場(chǎng)

• 還是hello.py這個(gè)python程序

• 都在我們的硬盤(pán)上

• 從硬盤(pán)讀到內(nèi)存

python3 執(zhí)行的過(guò)程大致是這樣

• 首先把python3這個(gè)主程序加載到內(nèi)存中

• 然后把參數(shù) hello.py 這個(gè)需要執(zhí)行的程序加載到內(nèi)存并生成一棵語(yǔ)法樹(shù)

• 比如 print("hello")

• 這就是一個(gè)語(yǔ)句

• 分析 hello.py 詞法結(jié)構(gòu)

• 把文件分成一個(gè)個(gè) 單詞

• 通過(guò)單詞組成表達(dá)式

• 通過(guò)表達(dá)式組成語(yǔ)句

• 對(duì)于生成的語(yǔ)法樹(shù)

• 進(jìn)行解釋并且執(zhí)行

換句話說(shuō)

• 簡(jiǎn)化版的 hello.py 的執(zhí)行過(guò)程是：

• 也就是把硬盤(pán)上的文件裝載到內(nèi)存

• python3 完成后續(xù)工作

• 系統(tǒng)執(zhí)行 python3 這個(gè)可執(zhí)行文件

• 給了 python3 一個(gè)參數(shù) hello.py

• 使用 python3 這個(gè)解釋器來(lái)解釋 hello.py

• 一句句地依次解釋執(zhí)行

• 全解釋完成后

• 退出python這個(gè)程序

• 把控制權(quán)交回到shell

• 這些都是基于解釋器python3.8的

• 而解釋器是用目標(biāo)架構(gòu)的機(jī)器語(yǔ)言直接在cpu上運(yùn)行的

• 那不同的cpu架構(gòu)、不同的系統(tǒng)，python都能正確地解釋么？

架構(gòu)的層次

• 不同架構(gòu)的 cpu 都可以運(yùn)行 python

• risc-v

• arm

• x64

• mips

• 龍芯

• 不同系統(tǒng)的環(huán)境都可以運(yùn)行 python

• win

• mac

• linux

• 由于python3可以運(yùn)行在不同的cpu架構(gòu)和系統(tǒng)上

• python程序可以跨架構(gòu)、跨系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行

• 不同的架構(gòu)

• 二進(jìn)制對(duì)應(yīng)的匯編指令都不一樣

• 怎么能正確解釋執(zhí)行同樣的python程序呢？

跨架構(gòu)跨平臺(tái)原理

• 因?yàn)?/usr/bin/python3.8 本身是二進(jìn)制文件

• 是基于當(dāng)前操作系統(tǒng)當(dāng)前架構(gòu)編譯出來(lái)的可執(zhí)行二進(jìn)制文件

• 不同的架構(gòu)有不同的編譯器

• 不同的編譯器編譯出來(lái)的python解釋器對(duì)應(yīng)不同的二進(jìn)制指令序列

• python3.8 構(gòu)建了一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境

• 這個(gè)環(huán)境可以解釋讀到的python語(yǔ)句

• 把python語(yǔ)句翻譯成系統(tǒng)能讀懂輸入輸出

• 翻譯成當(dāng)前物理架構(gòu)能夠執(zhí)行的代碼

• 然后邊解釋邊執(zhí)行

總結(jié)

• python3 的程序是一個(gè) 5.3M 的可執(zhí)行文件

• objdump -d ~/python3 > python3.asm

• python3 里面全都是 cpu 指令

• 可以執(zhí)行的那種

• 我們可以把指令對(duì)應(yīng)的匯編找到

• 匯編語(yǔ)句是和當(dāng)前機(jī)器架構(gòu)的指令集相關(guān)的

• uname -a可以查詢指令集

• 我們執(zhí)行的過(guò)程其實(shí)就

• 系統(tǒng)執(zhí)行python3這個(gè)可執(zhí)行文件

• 給了python3一個(gè)參數(shù)hello.py

• python3對(duì)于hello.py一句句的解釋執(zhí)行

• 在顯示器輸出了hello world

• python3執(zhí)行完畢

• 把控制權(quán)交回給 shell

• 這就是我們執(zhí)行hello world的過(guò)程

• 為什么我們學(xué)編程總是從hello world開(kāi)始呢？??

• 我們下次再說(shuō)！*