程序本質(zhì)

回憶上次內(nèi)容

• python3 的程序是一個(gè) 5.3M 的可執(zhí)行文件

• 我們通過which命令找到這個(gè)python3.8的位置

• 將這個(gè)python3.8復(fù)制到我們的用戶目錄下

• 這個(gè)文件還是能夠執(zhí)行的

• 將這個(gè)文件轉(zhuǎn)化為字節(jié)形態(tài)

• 確實(shí)可以轉(zhuǎn)化

• 但是這個(gè)文件我們看不懂?。。。??

• 怎么才能看懂這些東西呢？??

• 這個(gè)東西我們確實(shí)看不懂

• 但是有人能看懂

• 誰呢？

真實(shí)的cpu

• 無論手機(jī)還是計(jì)算機(jī)

• 最核心器件的器件就是cpu

• 這個(gè)東西是個(gè)實(shí)實(shí)在在存在的實(shí)體

• 這個(gè)cpu就能看懂這些字節(jié)碼嗎？

cpu

• cpu能看懂這些字節(jié)碼?。?！

• 這些字節(jié)碼

• 我們看不懂的

• cpu能看懂

• 這是屬于cpu的機(jī)器語言

• 這就是cpu的一條條的機(jī)器指令(instruction)

• 機(jī)器指令碼都是二進(jìn)制字節(jié)形式的

• 我們嘗試把python3.8轉(zhuǎn)化為字節(jié)表現(xiàn)形式

反匯編-匯編語言助記符

• 這次真的可以看懂了

• 減法(sub)

• 移動(dòng)(mov)

• 這些指令

• 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)的架構(gòu)(指令集)是x86-64

• 這些和我們剛才的字節(jié)形態(tài)有關(guān)系嗎？

對(duì)比

• 用vi分窗口分別打開打開python3 和 python3.asm

• 下圖中上半部分是機(jī)器語言

• 上圖下半部分是機(jī)器語言對(duì)應(yīng)的匯編指令助記符

• ctrl+j、ctrl+k可以上下窗口切換

• 我們來試著找找

• python3.8文件中

• 機(jī)器語言的0101和cpu的匯編指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系??

找到了

• 下面窗格

• 先跳到第8行

• endbr64 意味著 64位結(jié)束分支

• 下面就是第9行

• 第9行

• /48 83 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sub

• sub對(duì)應(yīng)substract 是減法

• 匯編指令是計(jì)算機(jī) cpu 機(jī)器指令的助記符

查找對(duì)應(yīng)關(guān)系

• 423000 就是初始化(init)的 cpu 開始執(zhí)行指令的地址

• 我們?cè)谏厦娌檎?8 83

• 看有沒有對(duì)應(yīng)的字節(jié)

• /4883 ec08 488b...

• 在上面的窗格中

• 搜索這些字節(jié)形態(tài)

• 好像找到了對(duì)應(yīng)關(guān)系

• 具體怎么對(duì)應(yīng)的呢？

• 這臺(tái)計(jì)算機(jī)用的是什么指令集呢？

• 什么是指令集來著？

指令集

• 指令集就是指令的集合

• 指令集也叫計(jì)算機(jī)的架構(gòu)

• 不同架構(gòu)的 cpu 有不同的指令集

• 我們目前的這個(gè)瀏覽器里面的系統(tǒng)用的是 x86-64

• 除此之外 arm、MIPS、RISC-V 也是常用的指令集

• 指令助記符和機(jī)器語言到底是則怎么對(duì)應(yīng)的呢？

回到代碼

• 代碼會(huì)有不同的 section 模塊

• 入口是 init

• 作用是初始化initialization

• 模塊里面是具體的指令

• 比如第一句 48 83 ec 08

• 為什么48 83 就可以代表減法

• 這是誰規(guī)定的呢？

查看指令集

• 這是cpu架構(gòu)規(guī)定的

• 首先要明確到當(dāng)前機(jī)器的cpu的架構(gòu)

• 反匯編里面說是x86-64

• 到shell里面驗(yàn)證一下

• 當(dāng)前機(jī)器所用的架構(gòu)指令集確實(shí)是x86-64

• 這是誰的架構(gòu)呢？

搜索

• 不會(huì)了就去搜索??

• 去intel官網(wǎng)找指令集

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

• 可以找到指令和二進(jìn)制狀態(tài)之間的關(guān)系么？

• 先要找到x86-64指令集中 48 83 這條指令

• 注意上圖中

• 100B中的B是0或1

• 100B可以是1000

• 也可以是1001

• 這確實(shí)是一條減法指令

• 而且是8位立即數(shù)和寄存器的減法運(yùn)算

逐步搜索

• 找起來真的很費(fèi)勁

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

• 確實(shí)是一條減法指令

• 確實(shí)是8位立即數(shù)和寄存器的減法運(yùn)算

• 和objdump的結(jié)果是一致的

• 廢話?。。??

• 除了減法指令sub之外

• 還有什么別的指令呢？

更多cpu指令

• 指令那可還有很多的

• 有運(yùn)算的

• 有移位的

• 加減乘除都有

• 這些指令的集合就是指令集

• 指令集就是cpu運(yùn)行的基礎(chǔ)！

• 這些機(jī)器語言的指令不能在別的指令集架構(gòu)上運(yùn)行么？

移植 port

• 想在別的指令集架構(gòu)上運(yùn)行程序

• 就需要移植(port)

• 移植(port)指的是從一種指令集移植到另一種指令集

• 從這個(gè)詞的詞源

• 移植

• port 港口

• 可以看出歐美的航海文化基礎(chǔ)

• 也可以看出我們的農(nóng)耕文化基礎(chǔ)

• 不移植會(huì)如何呢？

不移植

• 這是playstation2的架構(gòu)圖

• cpu是mips架構(gòu)的

• 不移植的話

• 就是讓x86架構(gòu)的pc

• 去直接執(zhí)行這些基于mips架構(gòu)的的0101... 字節(jié)碼

• 就像讓一個(gè)意大利泥瓦匠看一份中文寫成的烹飪書來砌墻

• 雞同鴨講

• 驢唇不對(duì)馬嘴

• 0101的文件執(zhí)行出來全是亂的

• 完全不能用

• 而且不全是軟件的問題

• 也涉及到硬件等方面

• 可能某個(gè)寄存器在新架構(gòu)中根本就不存在

架構(gòu)師

• 這個(gè)時(shí)候架構(gòu)師要解決相當(dāng)多的問題

• 很不容易的

• 落實(shí)到我們的python3.8游樂場

• 我們的python3.8就是這樣的一系列的cpu指令

• 可以解釋py文件的

• python3.8 又是如何解釋py文件的來著？

python3 執(zhí)行過程

• 不管是python3.8這個(gè)游樂場

• 還是hello.py這個(gè)python程序

• 都在我們的硬盤上

• 先得把文件從硬盤讀到內(nèi)存

• python3 執(zhí)行的過程大致是這樣

• 先把python3.8這個(gè)主解釋器加載到內(nèi)存中

• 然后在x86-64的cpu上執(zhí)行

• 模擬出一臺(tái)python虛擬機(jī)

• 對(duì)py文件解釋執(zhí)行

• 那為什么py程序可以跨架構(gòu)跨平臺(tái)呢？

• 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

• freebsd

• 跨架構(gòu)跨平臺(tái)原理

• 由于python3.8 的源文件

• 被不同的架構(gòu)的編譯器 編譯后

• 被部署到 不同的cpu架構(gòu)和系統(tǒng)上

• 所以同樣的py文件被加載之后

• python程序可以對(duì)py文件跨架構(gòu)、跨系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行

• 一次編寫到處運(yùn)行

• 不同的架構(gòu)下

• 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

• /usr/bin/python3.8 本身是二進(jìn)制文件

• 可執(zhí)行二進(jìn)制文件

• 是基于當(dāng)前操作系統(tǒng)當(dāng)前架構(gòu)編譯出來的

• 不同的架構(gòu)有不同的編譯器

• 不同的編譯器編譯出來的python3.8

• 是不同的二進(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語句

• 把python語句翻譯成系統(tǒng)能讀懂輸入輸出

• 翻譯成當(dāng)前架構(gòu)能夠執(zhí)行的代碼

• 然后邊解釋邊執(zhí)行

• 恭喜您完成了非常燒腦一個(gè)實(shí)驗(yàn)！

• 我們?nèi)タ偨Y(jié)吧?。?！

• 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.py的過程

• 我想輸出個(gè)稍微復(fù)雜點(diǎn)的東西

• 可以做下面這個(gè)框架標(biāo)題嗎？??

• 我們下次再說！??

• 藍(lán)橋->https://www.lanqiao.cn/teacher/3584

• github->https://github.com/overmind1980/oeasy-python-tutorial

• gitee->https://gitee.com/overmind1980/oeasypython

• 視頻->https://www.bilibili.com/video/BV1CU4y1Z7gQ 作者：oeasy