Python 虚拟机是否需要 CPU 来执行字节码？

Question

Python 虚拟机是否需要 CPU 来执行字节码？是字节码转换成机器码然后CPU参与处理吗？

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，您计算机中的 CPU 只懂拉丁语。您想向它发送一封包含详细说明或请求的信，但您不会说拉丁语。因此，您将聘请翻译人员：为您将“英语”字母（或您使用的任何语言）翻译成拉丁语的人。

编译语言（如 C 或 Rust）会提取你的整个字母，将其全部翻译成拉丁文并真正完善它。结果是一封翻译后的信件，极具诗意并使用复杂的语言。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话。

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您的程序代码，Python 解释器将只执行一次，然后生成非常接近您的 Python 代码表示的 bytecode，但拆分为基本要素。

我们来看一个很简单的Python函数：

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

此函数中的计算包括几个计算，所有这些都必须以正确的顺序执行。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

确实，Python 中的字节码通常是 Python 代码本身的一种非常接近的表示，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）。比如LOAD_VAR = 124、LOAD_CONST = 100、ADD = 23等。而局部变量和常量值也是用数字来表示的。因此，如果我们分配x = 01和y = 02，上面的代码就变成了：

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

执行字节码

您将在下面找到一个简单而简约的“Python 字节码”解释器，它能够执行我们在开始时定义的函数。 actual bytecode interpreter of Python 是用 C 语言编写的，因此可以编译为高效的机器代码。但原理完全一样。

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，做一些事情（比如将它们加在一起），然后将结果附加到列表中（但是在做减法或除法之类的事情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。一些指令（如 ADD）没有参数，所以在这种情况下我们只使用0。但是这里使用的代码仍然是上面介绍的字节码。

def execute(bytecode, consts, vars):
    stack = []
    for (instr, arg) in bytecode:
        if instr == 20:
            stack.append(stack.pop() * stack.pop())
        elif instr == 23:
            stack.append(stack.pop() + stack.pop())
        elif instr == 24:
            second = stack.pop()
            first  = stack.pop()
            stack.append(first - second)
        elif instr == 83:
            return stack.pop()
        elif instr == 100:
            stack.append( consts[arg] )
        elif instr == 124:
            stack.append( vars[arg] )
        elif instr == 125:
            vars[arg] = stack.pop()

my_bytecode = [
  (124, 1), (100, 1), (23, 0), (124, 1), (100, 1), 
   (24, 0), (20, 0), (125, 2), (124, 2),  (83, 0)
]
my_consts = [ None, 1 ]   
my_vars   = [ x, 0 ]
execute(my_bytecode, my_consts, my_vars)

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），或者使用以下方法定义局部变量的顺序：

print(f.__code__.co_code)      # prints the bytecode
print(f.__code__.co_consts)    # prints (None, 1)
print(f.__code__.co_varnames)  # prints ('x', 'y')

当然，更方便的是使用inspect 和dis 模块。

Answer 2

PVM 只不过是一种将字节码转换为给定操作系统的机器码的软件。因此，Python 被称为解释语言，PVM 是解释器。回答您的问题：是的，代码最终由 PVM 转换为机器代码。 阅读更多here。