关于python:oeasypython0011-python虚拟机的本质cpu架构二进制字节码汇编语言

程序实质

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• 咱们把 python 源文件

  • 词法剖析 失去 词流(token stream)
  • 语法分析 失去 形象语法树(Abstract Syntax Tree)
  • 编译 失去 字节码 (bytecode)
  • 字节码咱们看不懂
  • 所以反编译 失去 指令文件(opcode)

• 指令文件是基于 python 虚拟机的虚构 cpu 的指令集
• 什么是 python 虚拟机呢？🤔
• 在理解虚构 cpu 之前
• 咱们先看看实在的 cpu

实在的 cpu

• 无论手机还是计算机

  • 最外围器件的器件就是 cpu

• 这个货色是个实实在在存在的实体
• 咱们所说的 python 虚拟机能看到么？
• 就是用来运行 py 文件的

python3 到底是个啥？

which python3
ll /usr/bin/python3

• 这个 python3

  • 是一个符号链接文件
  • 只有 9 字节
  • 他指向 python3.8

• python3.8

  • 也在 /usr/bin 外面
• 就是 /usr/bin/python3.8

• python3.8 是一个 5.3M 的文件
• 能够看得见
• 能够间接运行这个 phthon3.8 吗？

间接运行

/usr/bin/python3.8

• python3.8 就在硬盘里呆着

  • 地位就在 /usr/bin/python3.8

    • usr 是 unix software resource
    • bin 是二进制 binary
    • python3.8 是这个文件的名称

• 在运行命令的时候

  • 把这个文件从硬盘装载到内存
  • 而后用 cpu 开始逐行执行文件中的 0101 指令
• 能够把他复制到 shiyanlou 用户的宿主文件夹下吗？

复制

• 复制到 shiyanlou 下
• 再察看

# 把 /usr/bin/python3 这个 py 文件的解释器拷贝到~(以后用户文件夹)
#cp 的意思是 copy
cp /usr/bin/python3 ~
#确认 python3 曾经拷到~(以后用户文件夹)
#ls 的意思是 list
ls ~/python3.8
#查看 python3 文件细节
ls -lah ~/python3.8

• python3 指向的 python3.8 只有 5.3M

  • 这个可执行文件怎么这么小？
  • 5.3M 这也就是一张照片的大小

• 以前的 Python3.5 只有 4.3M

  • 更小
• 目前这 5.3M 的 Python3 外面到底有什么呢？🤔

钻研 python3

# 用 vi 关上这个刚拷贝过去的 python3
vi ~/python3.8

• 这个样子看起来

  • 全是乱码
  • 齐全看不懂啊

• 这个货色咱们的确看不懂
• 然而有人能看懂
• 谁呢？

cpu

• cpu 能看懂！！！

• 这些咱们看不懂的乱码

  • cpu 能看懂
  • 这是属于 cpu 的机器语言
  • 这就是 cpu 的一条条的机器指令(instruction)

• 机器指令码都是二进制模式的
• 咱们尝试把 python3.8 转化为字节表现形式

以字节模式察看 python3.8

vi ~/python3.8

• 用 vim 关上~/python3.8

• :

  • 进入命令行模式

• :%!xxd咱们能够看到这个文件的二进制状态

  • %是指的对于所有行的范畴
  • ! 是执行外部命令
  • xxd指的是转化为 16 进制模式
• 什么是 xxd 命令呢？

xxd

• xxd 能够查看文件的二进制状态

  • dump 的本意是(倾倒垃圾)
  • 这里指的是转储
  • 把文件转储为 16 进制模式汇编代码模式

• :xxd –r 能够还原回去 😉

  • :%!xxd 转成字节状态
  • :%!xxd –r 转回文本状态
• 重复横跳 …

另存为 python3.8hex

• 一行是(16)_{10 进制} 个字节
• G 到最初一行
• 总共有 343148 行

• 这就是 真正的机器语言🤭

  • cpu 能执行的货色
  • 真真切切看到了的
  • 真的存在硬盘上 01010 的二进制可执行指令！！
  • 这些指令执行进去就是咱们的游乐场！！！
  • 或者说是咱们的 python 虚拟机
• 可是这个指令咱们看不懂怎么办？🤔

• 先把他另存进去

  • :w python3.8hex
  • 把以后缓存 (buffer) 另存 (write) 为
  • python3.8hex

• 对 python3.8 强制退出

  • :q!
  • 不保留批改强制退出
• python3.8hex 就是咱们要的机器语言的字节状态
• 可是这字节状态咱们看不懂啊

汇编语言助记符

# 先把~/python3 对应的机器语言输入为汇编指令模式(反汇编)
objdump -d python3.8 > python3.8.asm
vi python3.8.asm

• 这次真的能够看懂了

  • 减法(sub)
  • 挪动(mov)
  • 这些指令

• 能够发现以后零碎的架构 (指令集) 是 x86-64
• 这些和咱们方才的字节状态有关系吗？

比照

• 用 vi 分窗口别离关上关上 python3 和 python3.asm

vi -o python3.8hex python3.8.asm

• 下图中上半局部是机器语言

• 上图下半局部是机器语言对应的汇编指令助记符
• ctrl+j、ctrl+k能够高低切换

• 咱们来试着找找

  • python3 文件中
  • 机器语言的 0101 和 cpu 的汇编指令的对应关系🧐

找到了

• 先跳过上面窗格的第 8 行

  • endbr64 意味着 64 位完结分支
  • 上面的 sub 执行的是减法

• 上面窗格的 第 9 行

  • /48 83 找到高低的对应关系
  • 也就是第一条执行的汇编指令减法(sub)
  • 汇编指令是计算机 cpu 机器指令的助记符

查找对应关系

• 423000 就是初始化 (init) 的 cpu 开始执行指令的地址

• 咱们在下面查找 48 83 有没有对应的字节

  • /4883 ec08 488b…
  • 在下面的窗格中
  • 搜寻这些字节状态

• 如同找到了对应关系
• 具体怎么对应的呢？
• 这台计算机用的是什么指令集呢？
• 什么是指令集来着？

指令集

• 指令集就是指令的汇合

• 指令集也叫计算机的架构

• 不同架构的 cpu 有不同的指令集

  • 咱们目前的这个浏览器外面的零碎用的是 x86-64
  • 除此之外 arm、MIPS、RISC-V 也是罕用的指令集
• 指令助记符和机器语言到底是则怎么对应的呢？

回到代码

• 代码会有不同的 section 模块

  • 入口是 init
  • 作用是初始化initialization

• 模块外面是具体的指令

  • 比方第一句 48 83 ec 08
• 为什么 48 83 就能够代表减法
• 这是谁规定的呢？

查看指令集

• 这是 cpu 架构规定的

  • 首先要明确到以后机器 cpu 的架构
  • 反汇编外面说是 x86-64

• 到 shell 外面验证一下

• 以后机器所用的架构指令集的确是 x86_64
• 这是谁的架构呢？

搜寻

• 不会了就去搜寻😄

• 去 intel 官网找指令集

查问 x86_64 指令集

• 找到 cpu 的手册

  • https://www.intel.com/content…

• 能够找到指令和二进制状态之间的关系么？

  • 先要找到 x86-64 指令集中 48 83 这条指令

• 留神上图中

  • 100B 中的 B 是 0 或 1
  • 100B 能够是 1000
  • 也能够是 1001

• 这的确是一条减法指令

  • 而且是 8 位立刻数和寄存器的减法运算

逐渐搜寻

• 找起来真的很吃力

  • 48 83 ec 08 对应 sub $0x8,%rsp
  • 的确是一条减法指令
  • 的确是 8 位立刻数和寄存器的减法运算

• 和 objdump 的后果是统一的

  • 废话！！！😠
• 除了减法指令 sub 之外
• 还有什么别的指令呢？

各种 cpu 指令

• 指令那可还有很多的

  • 有运算的
  • 有移位的
  • 加减乘除都有

• 这些指令的汇合就是指令集

  • 指令集就是 cpu 运行的根底！
• 这些机器语言的指令不能在别的指令集架构上运行么？

移植 port

• 想在别的指令集架构上运行程序

  • 就须要移植(port)
  • 移植 (port) 指的是从一种指令集移植到另一种指令集

• 从这个词的词源

  • 能够看出欧美的航海文化根底

    • port 港口

  • 也能够看出咱们的农耕文化根底

    • 移植

• 不移植会如何呢？

不移植

• 这是 playstation2 的架构图

  • cpu 是 mips 架构的

• 不移植的话

  • 就是让 x86 架构的 pc
  • 去间接执行这些基于 mips 架构的的 0101…

• 就像让一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪书来砌墙

  • 鸡同鸭讲
  • 驴唇不对马嘴
  • 0101 的文件执行进去全是乱的
  • 齐全不能用

• 而且不全是软件的问题

  • 也波及到硬件等方面
  • 可能某个寄存器在新架构中基本就不存在

架构师

• 这个时候架构师要解决相当多的问题
• 很不容易的

• 落实到咱们的 python3.8 游乐场

  • 咱们的 python3.8 就是这样的一系列的 cpu 指令
  • 能够解释 py 文件的
• python3.8 又是如何解释 py 文件的来着？

python3 执行过程

• 不论是 python3 这个游乐场
• 还是 hello.py 这个 python 程序
• 都在咱们的硬盘上

• 先得把文件从硬盘读到内存

python3 执行的过程大抵是这样

• 先把 python3.8 这个主解释器加载到内存中

  • 而后在 x86-64 的 cpu 上执行
  • 模拟出一台 python 虚拟机

• 筹备开始对 py 文件解释执行

先编译

• 而后把参数 hello.py 这个须要执行的程序加载到内存

  • 词法剖析 失去 词流(token stream)
  • 语法分析 失去 形象语法树(Abstract Syntax Tree)
  • 编译 失去 字节码 (bytecode)

• 也就是编译后的 pyc 文件

解释执行

• 不过这个 pyc 指令文件

  • 是基于 python 虚拟机的虚构 cpu 的指令集的

• 须要放到模仿好的 python 虚拟机中
• 一条条指令进行执行

换句话说

• 简化版的 hello.py 的执行过程是：

  • 给了 python3 一个参数 hello.py
  • 应用 python3 这个解释器来解释执行 hello.py
  • hello.py中的语句一句句地顺次解释执行

• 全解释实现后

  • 退出 python 这个程序
  • 把控制权交回到 shell

• 这些都是基于解释器 python3.8 的

  • 所谓的解释器也是

    • 先编译成 python 虚拟机的字节码
    • 而后用 python 虚拟机解释间接执行

• 而解释器 (python3) 是在不同零碎不同架构的 cpu 语言上运行的

  • 那不同的零碎、cpu 架构
  • python 都能正确地解释么？

架构的档次

• 不同架构的 cpu 都能够运行 python

  • risc-v
  • arm
  • x64
  • mips
  • 龙芯

• 不同零碎的环境都能够运行 python

  • win
  • mac
  • linux
  • freebsd

跨架构跨平台原理

• 因为 python3 能够运行在不同的 cpu 架构和零碎上

  • 所以同样的 py 文件被加载之后
  • python 程序能够对 py 文件跨架构、跨零碎进行解释执行
  • 一次编写到处运行

• 不同的架构

  • 二进制对应的汇编指令都不一样
  • 怎么能正确解释执行同样的 python 程序呢？

跨架构跨平台原理

• /usr/bin/python3.8 自身是二进制文件

  • 是基于以后操作系统以后架构编译进去的可执行二进制文件
  • 不同的架构有不同的编译器
  • 不同的编译器编译进去的 python3.8
  • 是不同的二进制指令序列

• python3.8 构建了一个运行时环境

  • 这个环境能够解释读到的python 语句
  • 把 python 语句 翻译成零碎能读懂输入输出
  • 翻译成以后架构可能执行的代码
• 而后边解释边执行
• 祝贺您实现了十分烧脑一个试验！
• 咱们去总结吧！！！

总结

• python3 的程序是一个 5.3M 的可执行文件

  • python3 外面全都是 cpu 指令
  • 能够执行的那种

  • 咱们能够把指令对应的汇编找到

    • objdump -d ~/python3 > python3.asm

• 汇编语句是和以后机器架构的指令集相干的

  • uname -a能够查问指令集

• 咱们执行的过程其实就

  • 零碎执行 python3 这个可执行文件
  • 给了 python3 一个参数hello.py
  • python3对于 hello.py 一句句的解释执行
  • 在显示器输入了hello world
  • python3执行结束
  • 把控制权交回给 shell
• 这就是咱们执行 hello.py 的过程
• 为什么咱们学编程总是从 hello world 开始呢？🤔
• 咱们下次再说！👋
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