程序实质

回顾上次内容

  • 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 python3ll /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copycp /usr/bin/python3 ~#确认python3曾经拷到~(以后用户文件夹)#ls的意思是listls ~/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python3vi ~/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.asmvi 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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