首页
所有分类
TAGS
文字工具 EMOJI BIBLE
编程 Python

python解释器spython使用及原理解析

Posted in Python onAugust 24, 2019

简介

出于个人爱好和某种需求，我再16年对python的解释器产生了浓厚兴趣，并且下定决心重新实现一个版本。我个人再游戏服务器开发中，对c++嵌入lua和python都有着丰富应用经验，自认为对二者的优劣有着深刻的理解。

python针对lua的最大优势是python是完备的程序语言，类、模块包括丰富的库和方便好用的字符串操作，可以说python用来实现功能会优雅很多，而lua最大的优势就是小巧高效，另外lua的lua_state是可以有多个实例的，这样就可以多线程使用lua（一个线程单独一个lua_state）,而python解释器因为有全局解释器锁，所以无法实现多python解释器实例。

考虑到在嵌入python的应用场景中，所用到python的功能都是比较简单通用的功能，比如类、模块，函数，一些复杂的类库也不常用，所以我就想实现一个不使用全局解释器锁，可以有多个python解释器锁的解释器。所以16年底，我自己实现了一下python解释器第一版，第一版是使用AST虚拟语法树直接解析的，虽然做了必要的优化，但是性能。。。。仍然不忍直视。

平常我一直吐槽python跑的没有lua快，但是吐槽是一码事，自己实现真的就是另一码事了。我仔细分析了第一版性能低的原因是选错了路！python的虚拟机是讲语法树翻译成ByteCode，然后有个Virtual Machine不断的解释bytecode，而vm的运行又分堆栈模式和寄存器模式，python就是堆栈模式的，而lua是寄存器模式的，寄存器模式是现在的趋势，这也是lua跑到更快的重要原因。我的第一版VM用AST直接跑，选错了路，无论如何也太快不了。

但是我仍然把这个第一版打了个分支，分享出来，因为当我实现用寄存器模式的VM的时候，感觉无论如何也无法设计的像AST直接解析的VM那样优雅、直接。AST直接解析的方式真的太直观了，虽然效率很低，但是其仍然有很大的应用价值。

比如protocolbuff、thrift这些通过定义语法文件生成代码的这类工具，对语法解析的效率要求不高，那么这个版本的VM再这些领域还是有很大的参考价值。

内部实现层次：

python解释器spython使用及原理解析

Python BNF

一提到实现脚本解释器，估计很多人都会挠头，不知道从何入手。刚开始我也是这样，我把大学里的编译原理从床底下一堆打入冷宫的数量翻出来，一顿猛看。但是仍然没有找到很大头绪，后来我就在python.org上一顿逛，也下载了python的源码分析，源码目录有python的BNF描述文件，因为我已经看过一遍编译原理了，BNF就看的很懂，从头到尾读了一遍了以后，灵光乍现啊！BNF就是完整的解析python语法的流程说明啊！截取一小段做个说明：

compound_stmt: if_stmt | while_stmt | for_stmt | try_stmt | with_stmt | funcdef | classdef | decorated
if_stmt: 'if' test ':' suite ('elif' test ':' suite)* ['else' ':' suite]
while_stmt: 'while' test ':' suite ['else' ':' suite]
for_stmt: 'for' exprlist 'in' testlist ':' suite ['else' ':' suite]
try_stmt: ('try' ':' suite
     ((except_clause ':' suite)+
     ['else' ':' suite]
     ['finally' ':' suite] |
     'finally' ':' suite))
with_stmt: 'with' with_item (',' with_item)* ':' suite
with_item: test ['as' expr]
# NB compile.c makes sure that the default except clause is last
except_clause: 'except' [test [('as' | ',') test]]
suite: simple_stmt | NEWLINE INDENT stmt+ DEDENT

简单解释下，python的Grammar BNF是从顶之下递归描述的。上面最上边定义的是compound_stmt复杂语句，而compound_stmt有if、while、for、try、with、函数定义、类定义、修饰器定义几种，下面紧接着定义了if语句if_stmt的语法规则，这样在c++实现解析python语法的时候，就可以从顶向下按照这个BNF尝试解析，如果不满足这个BNF语法要求的就报错。我为了生成跟这个BNF一致的代码结构，写了个python脚本解析这个BNF自动生成C++的解析函数。生成的C++代码示例如下：

class Parser{
public:
 ExprASTPtr parse(Scanner& scanner);

 //! single_input: NEWLINE | simple_stmt | compound_stmt NEWLINE
 ExprASTPtr parse_single_input();
 //! file_input: (NEWLINE | stmt)* ENDMARKER
 ExprASTPtr parse_file_input();
 //! eval_input: testlist NEWLINE* ENDMARKER
 ExprASTPtr parse_eval_input();
 //! decorator: '@' dotted_name [ '(' [arglist] ')' ] NEWLINE
 ExprASTPtr parse_decorator();
 //! decorators: decorator+
 ExprASTPtr parse_decorators();
 //! decorated: decorators (classdef | funcdef)
 ExprASTPtr parse_decorated();
 //! funcdef: 'def' NAME parameters ':' suite
 ExprASTPtr parse_funcdef();
 //! parameters: '(' [varargslist] ')'
 ExprASTPtr parse_parameters();
 //! varargslist: ((fpdef ['=' test] ',')*
 //!        fpdef ['=' test] (',' fpdef ['=' test])* [','])
 ExprASTPtr parse_varargslist();
 //! fpdef: NAME | '(' fplist ')'
 ExprASTPtr parse_fpdef();
 //! fplist: fpdef (',' fpdef)* [',']
 ExprASTPtr parse_fplist();
 //! stmt: simple_stmt | compound_stmt
 ExprASTPtr parse_stmt();
 //! simple_stmt: small_stmt (';' small_stmt)* [';'] NEWLINE
 ExprASTPtr parse_simple_stmt();
 //! small_stmt: (expr_stmt | print_stmt | del_stmt | pass_stmt | flow_stmt |
 //!       import_stmt | global_stmt | exec_stmt | assert_stmt)
 ExprASTPtr parse_small_stmt();
 //! expr_stmt: testlist (augassign (yield_expr|testlist) |
 ExprASTPtr parse_expr_stmt();
.................................

Scanner的实现

scanner负责解析python代码，把python代码分隔这一个个Token对象，并且Token对象的定义如下：

struct Token{
 Token():nTokenType(0), nVal(0), fVal(0.0), nLine(0){
 }

 std::string dump() const;
 int       nTokenType;
 int64_t     nVal;
 double     fVal;
 std::string   strVal;
 int       nLine;
};

enum ETokenType {
  TOK_EOF = 0,
  //TOK_DEF = -2,
  TOK_VAR = -4,
  TOK_INT = -5,
  TOK_FLOAT = -6,
  TOK_STR = -7,
  TOK_CHAR = -8,
};

nTokenType定义为ETokenType的枚举。Scanner只扫描python代码，而不解析语法，所有的python代码都会解析成要么整数，要么浮点数要么字符串。这个跟原生的python是有区别的，原生python的数字对象可以表达任意数字，但是为了实现简便，做了简化处理，这也是参考了lua的实现方式每token对象会记录所属的行号，方便语法报错提供有用的信息。

具体scanner的实现就不贴出来了，感兴趣的可以去查看源码，还是比较简单的。

Parser的实现

Parser的头文件是脚本解析BNF自动生成的。负责把scanner解析的token列表，按照BNF的规则构造成AST。AST节点对象定义为ExprAST：

class ExprAST {
public:
  ExprAST(){
  }
  virtual ~ExprAST() {}
  virtual PyObjPtr& eval(PyContext& context) = 0;

  unsigned int getFieldIndex(PyContext& context, PyObjPtr& obj);

  virtual PyObjPtr& getFieldVal(PyContext& context);
  virtual PyObjPtr& assignVal(PyContext& context, PyObjPtr& v){
    PyObjPtr& lval = this->eval(context);
    lval = v;
    return lval;
  }
  virtual void delVal(PyContext& context){
    PyObjPtr& lval = this->eval(context);
    lval = NULL;
  }

  virtual int getType() {
    return 0;
  }

public:
  std::string name;
  ExprLine  lineInfo;
  //std::vector<std::vector<int> > module2objcet2fieldIndex;
  std::vector<int>         module2objcet2fieldIndex;
};
class PyObj {
public:
  RefCounterData* getRefData(){
    return &refdata;
  }
  void release();
  typedef PySmartPtr<PyObj> PyObjPtr;
  PyObj():m_pObjIdInfo(NULL), handler(NULL){}
  virtual ~PyObj() {}

  int getType() const;
  virtual int getFieldNum() const { return m_objStack.size(); }
  static std::string dump(PyContext& context, PyObjPtr& self, int preBlank = 0);

  virtual PyObjPtr& getVar(PyContext& c, PyObjPtr& self, ExprAST* e);
  virtual const ObjIdInfo& getObjIdInfo() = 0;

  void clear(){
    m_objStack.clear();
  }
  inline PyObjHandler* getHandler() { return handler; }
  inline const PyObjHandler* getHandler() const { return handler; }
public:
  std::vector<PyObjPtr>  m_objStack;
  ObjIdInfo*        m_pObjIdInfo;
  PyObjHandler*      handler;
  RefCounterData      refdata;
};
typedef PyObj::PyObjPtr PyObjPtr;

ExprAST抽象了AST节点的几个操作。最主要的就是求值操作eval。比如100求值就是100，'abc'求值就是字符串'abc',生成对应的值对象。每个值对象都继承PyObj。每个PyObj都会定义ObjHander接口用于实现python对象的各个操作，比如+、-、/等，不同的python值对象，响应的操作是不一样，这里利用了c++的多态。

class PyObjHandler{
public:
 virtual ~PyObjHandler(){}

 virtual int getType() const = 0;

 virtual std::string handleStr(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual std::string handleRepr(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual int handleCmp(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleBool(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual bool handleEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleLessEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleGreatEqual(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleContains(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;

 virtual bool handleLess(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;
 virtual bool handleGreat(PyContext& context, const PyObjPtr& self, const PyObjPtr& val) const;

 virtual PyObjPtr& handleAdd(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleSub(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleMul(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleDiv(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleMod(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);


 virtual PyObjPtr& handleIAdd(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleISub(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIMul(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIDiv(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual PyObjPtr& handleIMod(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);

 virtual PyObjPtr& handleCall(PyContext& context, PyObjPtr& self, std::vector<ArgTypeInfo>& allArgsVal,
                std::vector<PyObjPtr>& argAssignVal);
 virtual size_t  handleHash(PyContext& context, const PyObjPtr& self) const;
 virtual bool handleIsInstance(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& val);
 virtual long handleLen(PyContext& context, PyObjPtr& self);
 virtual PyObjPtr& handleSlice(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& startVal, int* stop, int step);
 virtual PyObjPtr& handleSliceAssign(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& k, PyObjPtr& v);
 virtual void handleSliceDel(PyContext& context, PyObjPtr& self, PyObjPtr& k){}

 virtual void handleRelese(PyObj* data);
};

Python库的实现

实现的python库列表如下：

  • list dict tuple copy string
  • datetime
  • json
  • math
  • os
  • random
  • open stringio
  • struct
  • sys
  • weak

总结

spython就是small python，本来想实现最简版本的python解释器，后来实现的比较顺，一口气把常用的python库都实现了。spython最成功的部分就是ast的解析和执行，代码结构清晰完全按照bnf的流程来，很直接明了。

缺点主要有二。一是语法报错还是太简陋，不够友好。二是性能达不到原生python的性能。前文已经说过了，要达到甚至超过原生python的水平，必须要实现基于寄存器的VM，这个已经着手再弄了，暂时还不会放出代码，等差不多成型了再放出来吧。

代码地址：https://git.oschina.net/ownit/spython

构建：Linux下直接make就可以了，win下需要用dev c++

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持三水点靠木。

python解释器spython使用及原理解析

- Author -

知然

声明：登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。

Python 相关文章推荐
Python封装shell命令实例分析
May 05 Python
基于Python和Scikit-Learn的机器学习探索
Oct 16 Python
python opencv之SURF算法示例
Feb 24 Python
超实用的 30 段 Python 案例
Oct 10 Python
Pytorch中Tensor与各种图像格式的相互转化详解
Dec 26 Python
Pytest mark使用实例及原理解析
Feb 22 Python
Django数据结果集序列化并展示实现过程
Apr 22 Python
python 下载m3u8视频的示例代码
Nov 11 Python
用Python自动清理电脑内重复文件,只要10行代码(自动脚本)
Jan 09 Python
Python学习之time模块的基本使用
Jan 17 Python
OpenCV 图像梯度的实现方法
Jul 25 Python
Python获取江苏疫情实时数据及爬虫分析
Aug 02 Python
python爬虫之爬取百度音乐的实现方法
Aug 24 #Python
python3 实现爬取TOP500的音乐信息并存储到mongoDB数据库中
Aug 24 #Python
python处理自动化任务之同时批量修改word里面的内容的方法
Aug 23 #Python
解决在pycharm运行代码,调用CMD窗口的命令运行显示乱码问题
Aug 23 #Python
简单分析python的类变量、实例变量
Aug 23 #Python
python3 selenium自动化 frame表单嵌套的切换方法
Aug 23 #Python
python-Web-flask-视图内容和模板知识点西宁街
Aug 23 #Python
证婚词(21) 心得体会(660) 岗位职责(1324) 推荐信(292) 创业计划书(312) 欢迎词(65) 道歉信(39) 思想汇报(404) 演讲稿(869) 职业生涯规划书(234)
You might like
PHP4和PHP5性能测试和对比 测试代码与环境
2007/08/17 PHP
php中使用DOM类读取XML文件的实现代码
2011/12/14 PHP
PHP采用get获取url汉字出现乱码的解决方法
2014/11/13 PHP
laravel-admin 后台表格筛选设置默认的查询日期方法
2019/10/03 PHP
用javascript getComputedStyle获取和设置style的原理
2008/10/10 Javascript
jquery 新手学习常见问题解决方法
2010/04/18 Javascript
javascript实现的HashMap类代码
2014/06/27 Javascript
node.js中使用socket.io的方法
2014/12/15 Javascript
JQuery设置时间段下拉选择实例
2014/12/30 Javascript
JavaScript中的getMilliseconds()方法使用详解
2015/06/10 Javascript
javaScript中的原型解析【推荐】
2016/05/05 Javascript
node.js 中间件express-session使用详解
2017/05/20 Javascript
angular bootstrap timepicker TypeError提示怎么办
2017/06/13 Javascript
vue如何集成raphael.js中国地图的方法示例
2017/08/15 Javascript
vue的状态管理模式vuex
2017/11/30 Javascript
微信小程序实现自定义modal弹窗封装的方法
2018/06/15 Javascript
使用vuex解决刷新页面state数据消失的问题记录
2019/05/08 Javascript
Vue CLI3移动端适配(px2rem或postcss-plugin-px2rem)
2020/04/27 Javascript
Vue实现购物车实例代码两则
2020/05/30 Javascript
Python 面向对象 成员的访问约束
2008/12/23 Python
在Docker上开始部署Python应用的教程
2015/04/17 Python
分享一下Python数据分析常用的8款工具
2018/04/29 Python
详解Python计算机视觉 图像扭曲（仿射扭曲）
2019/03/27 Python
美国高街时尚品牌：OASAP
2016/07/24 全球购物
英国时尚服饰电商：Boohoo
2017/10/12 全球购物
美国地毯购买网站：Rugs USA
2019/02/23 全球购物
恶意软件的定义
2014/11/12 面试题
销售高级职员求职信
2013/10/29 职场文书
项目资料员岗位职责
2013/12/10 职场文书
优秀学生自我鉴定范例
2013/12/18 职场文书
新闻专业毕业生英文求职信
2014/03/19 职场文书
教师一帮一活动总结
2014/07/08 职场文书
学期个人自我总结
2015/02/13 职场文书
大学生读书笔记范文
2015/07/01 职场文书
Python基础之数据结构详解
2021/04/28 Python
pytorch 实现在测试的时候启用dropout
2021/05/27 Python