《深入 CPython 执行引擎：从源码到字节码，揭开 Python 程序运行的秘密》

《深入 CPython 执行引擎：从源码到字节码，揭开 Python 程序运行的秘密》

一、引言：你真的了解 Python 是如何运行的吗？

我们每天写着 Python 代码，运行着 python script.py，但你是否想过，这背后到底发生了什么？你的代码是如何从 .py 文件变成机器能理解的指令？为什么有时候 Python 程序运行得慢？又该如何优化？

这篇文章将带你深入 CPython 的执行流程，从源码解析、AST 构建、字节码生成到虚拟机执行，逐步揭开 Python 程序运行的全过程。无论你是刚入门的开发者，还是希望深入理解底层机制的资深工程师，这篇文章都将为你提供实用的知识与启发。

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二、CPython 简介：Python 的“官方”解释器

CPython 是 Python 官方的参考实现，由 C 语言编写。它不仅是最广泛使用的 Python 解释器，也是整个 Python 生态的基石。

CPython 的核心职责是：

• 解析 Python 源代码
• 构建抽象语法树（AST）
• 编译为字节码（Bytecode）
• 在虚拟机中逐条执行字节码

理解这些步骤，不仅有助于我们写出更高效的代码，还能在调试、性能优化、源码阅读等方面如虎添翼。

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三、CPython 执行流程全景图

我们先来看一张总览图：

Python 源码 (.py)
     ↓
词法分析（Tokenizer）
     ↓
语法分析（Parser）
     ↓
抽象语法树（AST）
     ↓
中间表示（Python Bytecode）
     ↓
字节码执行（Python 虚拟机）

接下来，我们逐步拆解每个阶段的关键机制与实现细节。

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四、从源码到抽象语法树（AST）

1. 词法分析（Lexing / Tokenizing）

CPython 使用 tokenize 模块将源码拆解为一个个 Token（标记），例如关键字、变量名、操作符等。

📌 示例：

import tokenize
from io import BytesIO

code = b"print(1 + 2)"
tokens = tokenize.tokenize(BytesIO(code).readline)
for token in tokens:
    print(token)

输出结果中包含了 NAME, NUMBER, OP 等类型，说明 Python 已将源码“切片”。

2. 语法分析（Parsing）

接下来，CPython 使用 PEG（自 Python 3.9 起）