关于Python：9. 深入理解Python运行机制

一、Python内存管理（引用计数、垃圾回收）

Python（CPython）采用的是：

“引用计数为主，垃圾回收为辅” 的内存管理机制。

也就是说：

• 引用计数机制：负责大部分内存释放，简单、高效。

• 垃圾回收机制（GC）：处理循环引用等引用计数解决不了的问题。

1. 引用计数（Reference Counting）

每个 Python 对象都有一个“引用计数”，表示当前有多少个地方在使用它。

一旦引用计数为 0，Python 立刻销毁对象、释放内存。

举例说明：

a = [1, 2, 3]  # 创建列表对象，引用计数 = 1
b = a          # b 也指向这个列表，对象引用计数 = 2
del a          # 删除 a，引用计数 = 1
del b          # 删除 b，引用计数 = 0，对象被销毁

可以使用 sys.getrefcount() 查看一个对象的引用计数：

import sys
x = [1, 2, 3]
print(sys.getrefcount(x))  # 注意：结果比你预期的多1，因为参数x也算一次引用

引用计数的优点：

• 实时释放内存：对象不用的时候，立刻回收。

• 实现简单：不需要像 Java 那样复杂的 GC 跑一遍遍。

2. 引用计数的缺陷：循环引用

如果两个对象互相引用对方，即使外部没有引用了，引用计数也不会为0，内存就不会释放，导致 内存泄露。

示例：

class Node:def __init__(self):self.ref = Nonea = Node()
b = Node()
a.ref = b
b.ref = adel a
del b# a和b虽然没有外部引用，但它们互相引用，所以内存不会释放！

在这个例子中：

对象	谁引用了它？	引用计数
a	main作用域、b.ref	2
b	main作用域、a.ref	2

现在执行 del a、del b：

对象	谁引用了它？	引用计数
a	只剩 b.ref	1
b	只剩 a.ref	1

引用计数永远不会变为 0！

3. 垃圾回收（Garbage Collection，GC）

为了解决循环引用的问题，Python 内部设计了一个 GC模块 来“定期清理”不再使用的内存。

这个 GC 是通过 “分代回收（Generational GC）” 实现的。

分代回收模型（Generational GC）

Python 把所有的对象分成 3 代：

代数	含义	特点
第0代	新建对象	最频繁回收
第1代	经常存活下来的对象	偶尔回收
第2代	长期存在的对象	很少回收，数量最多

GC 机制假设：

“活得越久的对象，越有可能继续活着”，所以越老的代回收越少。

回收的流程

• Python 会监控“分配了多少个对象”和“删除了多少个对象”。

• 当分配/删除数量超过阈值，就触发 GC：

  • 先回收第0代

  • 如果仍然触发阈值，就继续回收第1代、第2代

• 采用标记-清除算法：标记“可达对象”，删除“不可达对象”

GC 模块使用示例：

import gc# 查看当前是否启用了自动GC
print(gc.isenabled())  # True# 手动触发一次GC
gc.collect()# 查看GC统计信息
print(gc.get_count())  # 返回 (第0代对象数量, 第1代, 第2代)

4. 小对象内存池机制

CPython 还对**小对象（小于 512 字节）**做了优化：

• 使用内存池（称为 pymalloc）重复利用内存块。

• 这样避免频繁向操作系统申请/释放内存，提高性能。

这就是为什么写 a = 10; b = 10 时，两个变量可能指向的是同一个对象地址。

5. 总结

机制	原理	优点	缺点
引用计数	每个对象维护引用计数，0即销毁	实时、高效	不能处理循环引用
垃圾回收	分代收集，标记清除	弥补引用计数的缺陷	增加一些系统开销
小对象池	内存池优化小对象	提高小对象复用效率	占用一些额外内存

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二、Python解释器（CPython、PyPy）

Python 解释器就是把你写的 .py 源码翻译为计算机能执行的“指令”的程序。

目前主流解释器有多个实现：

名称	语言实现	特点	适用场景
CPython	用 C 写的	官方标准实现，最常用	默认解释器，稳定
PyPy	用 RPython 写	支持 JIT，速度更快	追求性能
Jython	用 Java 写	可运行在 JVM 上，调用 Java	Java 环境
IronPython	.NET 实现	支持 C#/VB 调用	.NET 环境
MicroPython	C实现（精简）	运行在嵌入式设备	单片机开发

1. CPython（最主流、最重要）

• CPython 是 Python 的官方实现。

• 是用 C语言 写的解释器（Interpreter）。

• 所有你运行 .py 的地方，默认就是 CPython。

$ python3 --version
Python 3.11.7  ← 这就是 CPython

CPython 的执行流程

Python 源码（.py 文件）↓
词法/语法分析↓
AST（抽象语法树）↓
编译成字节码（.pyc 文件）↓
交由 CPython 的虚拟机解释执行

这也是为什么会看到 .pyc 文件，它其实就是：

        Python 的“中间语言”，类似 Java 的 .class 文件。

CPython 底层结构

typedef struct _object {Py_ssize_t ob_refcnt;     // 引用计数PyTypeObject *ob_type;    // 类型信息
} PyObject;

CPython（Python 的官方解释器）就是用 C 语言编写的

Py_ssize_t ob_refcnt;       // 当前对象的引用计数，决定是否自动释放
PyTypeObject *ob_type;      // 指向该对象的类型结构体，比如 int、str 类型

每个 Python 中的对象（int、list、dict 等）在底层都是一个 PyObject 结构体，通过这个结构可以知道：

• 它被引用了多少次（用于自动内存管理）

• 它到底是什么类型（用于运行时类型识别）

CPython 的缺陷：GIL（全局解释器锁）

CPython 使用 GIL 来确保多线程安全：

Global Interpreter Lock→ 同一时间，只允许一个线程执行 Python 字节码

这意味着 Python 的多线程并不能真正并发运行计算密集型任务。CPU 利用率低。

2. PyPy（性能极致的解释器）

• PyPy 是用一种叫 RPython（可静态类型的Python子集） 实现的 Python 解释器。

• 最大亮点是 JIT（Just-In-Time）编译技术，可以把热代码编译成机器码，加速运行。

PyPy 的优势

特性	说明
JIT 编译	PyPy 会将频繁执行的代码“编译为机器码”加速运行
智能优化	内联、移除多余变量等操作自动完成
⏱ 性能提升	实测一般比 CPython 快 4~10 倍

例如：

from time import timedef f():s = 0for i in range(10_000_000):s += ireturn sstart = time()
f()
print("耗时：", time() - start)

同样的代码，用 PyPy 跑会明显快很多。

如何下载安装 PyPy：

1）访问官网下载页面：https://www.pypy.org/download.html

2）解压缩到一个目录，比如：C:\pypy3.9

3）打开命令行，输入：

C:\pypy3.9\pypy3.exe

如果是 Linux / Mac 用户：

sudo apt install pypy3       # Ubuntu
# 或
brew install pypy3           # Mac（需安装 Homebrew）

4）运行代码用 PyPy 解释器

比如：

pypy3 your_script.py

或者：

pypy3
>>> print("hello from PyPy!")

这样就不再用默认的 CPython 。

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三、编译原理初步（AST抽象语法树、字节码）

Python 作为一种 解释型语言，它的代码执行过程包括了“编译”和“解释”两个阶段：

编译阶段：把 Python 源代码编译成一种中间表示形式（字节码），这个字节码并不是直接机器码，而是 Python 虚拟机能理解的低级指令。

解释执行阶段：字节码由 Python 解释器（虚拟机）执行。

这两个过程中的重要组成部分就是 AST（抽象语法树） 和 字节码。

1. 什么是 AST（抽象语法树）？

AST（抽象语法树） 是对 Python 源代码的一种树状表示，它的每个节点代表了 Python 程序中的一个结构元素（如表达式、语句等）。它比语法树更简洁，去除了与编程语言具体语法无关的部分。

• AST 是 Python 编译阶段的产物。

• Python 代码首先通过 词法分析（将源码转换为标记）和 语法分析（将标记转换为 AST）两步生成。

• 在 AST 之上，Python 可以进行代码优化、分析、转换、生成字节码等操作。

 AST 的重要性

• 代码分析与优化：通过 AST，你可以分析代码的结构，做静态分析（例如变量的使用、控制流等）或进行代码优化。

• 代码转换：AST 是生成字节码的基础，修改 AST 可以进行代码重写、反混淆等操作。

• 反向工程：通过分析 AST，你可以将混淆代码或压缩代码还原为易懂的原始代码结构。

生成 AST

可以使用 Python 的 ast 模块来分析和操作 Python 的 AST。例如，下面的代码将 Python 代码解析成 AST：

import astsource_code = "x = 1 + 2 * 3"
tree = ast.parse(source_code)# 打印 AST 的结构
ast.dump(tree, indent=4)

输出会是类似这样的结构（树状结构）：

Module(body=[Assign(targets=[Name(id='x', ctx=Store())],value=BinOp(left=Num(n=1), op=Add(), right=BinOp(left=Num(n=2), op=Mult(), right=Num(n=3))))]
)

这就是 Python 代码的 AST 结构。可以看到，它把算式 1 + 2 * 3 转换成了一个树状结构，节点包含了操作符、操作数、表达式等。

AST 操作示例

通过操作 AST，你可以修改代码结构，比如实现代码重构、自动化修改等：

class MyTransformer(ast.NodeTransformer):def visit_BinOp(self, node):if isinstance(node.op, ast.Add):node.op = ast.Sub()  # 把加法变成减法return node# 修改 AST
transformer = MyTransformer()
transformed_tree = transformer.visit(tree)# 查看修改后的树
ast.dump(transformed_tree, indent=4)

2. 什么是字节码（Bytecode）？

字节码 是一种中间代码，Python 将源代码编译成字节码后，由 Python 的虚拟机（PVM）解释执行。它比源代码更接近机器码，但仍然独立于平台。

• 字节码的作用：通过将源码编译成字节码，Python 可以实现跨平台运行，只需要安装 Python 解释器，就能执行相同的字节码。

• .pyc 文件：字节码通常保存在 .pyc 文件中，位于 __pycache__ 目录下。Python 会根据文件的修改时间来决定是否重新编译。

字节码的生成过程

1. 编译：Python 源代码通过 CPython 编译器转换为字节码（.pyc 文件）。每次你运行 .py 文件时，CPython 会首先检查是否有 .pyc 文件，如果没有就编译成字节码。

2. 执行：字节码通过 Python 虚拟机（PVM）解释执行。

字节码反汇编

使用 dis 模块，可以看到 Python 代码的字节码。例如：

import disdef example():a = 1 + 2return adis.dis(example)

输出结果会显示字节码：

  2           0 LOAD_CONST               1 (1)2 LOAD_CONST               2 (2)4 BINARY_ADD6 STORE_NAME               0 (a)8 LOAD_NAME                0 (a)10 RETURN_VALUE

这说明：

• 先把常量 1 和 2 加载到栈上（LOAD_CONST），

• 执行加法（BINARY_ADD），

• 把结果存到变量 a 中（STORE_NAME）。

字节码与机器码的关系

字节码比源代码更接近机器码，但它仍然不是直接可以由 CPU 执行的代码。在 CPython 中，字节码是由 Python 解释器逐条解释执行的。而机器码则是直接由硬件执行的代码。

3. 结合 AST 和 字节码的实际应用

应用场景：代码重构、反混淆

在做 JS 逆向、APP 逆向时，很多时候需要分析混淆代码并重构它。在 Python 中，AST 是一个非常好的工具，可以帮助理解代码的结构，进行重构、逆向等操作。

例子：重构混淆代码

比如，将一段复杂的运算式改写为更易读的形式：

# 混淆的代码
x = 1 + 2 * 3# 解析并重构为
x = 7

通过 AST，可以提取出原始的运算结构，并将它们转换为更容易理解的形式。

应用场景：性能优化

在性能优化中，了解 Python 如何将源代码转化为字节码，有助于优化代码，避免不必要的计算、内存分配等操作。例如，避免频繁的内存分配、减少不必要的对象创建，可以提高程序的性能。

术语	含义	作用
AST	抽象语法树，一种树状结构	代码结构分析、重构、静态分析、代码生成和优化
字节码	中间代码，比源码更低级，但不依赖平台	Python 跨平台运行，虚拟机解释执行

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四、C扩展开发（如需要极限优化）

C 扩展就是使用 C 语言编写的 Python 模块，它可以被 Python 调用，像普通模块一样 import。

为什么要用 C 写 Python 模块？

• Python 本身是用 C 写的（CPython）

• Python 解释型的性能较低，尤其在数值计算、循环密集任务中较慢

• C 语言性能高，可以编写性能关键模块，再用 Python 调用

• 还能直接调用操作系统或硬件资源，或者加载第三方底层库（如 OpenSSL）

实际例子：写一个简单的 C 扩展模块

创建一个 C 模块 myfast.c，提供一个加法函数给 Python 调用。

文件结构：

myfast/
├── myfast.c
└── setup.py

1） myfast.c 内容如下：

#include <Python.h>// C函数：两个数相加
static PyObject* add(PyObject* self, PyObject* args) {int a, b;// 从 Python 传入参数解析为 C 中的 intif (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {return NULL;}// 返回一个 Python 整数return PyLong_FromLong(a + b);
}// 定义方法表
static PyMethodDef MyFastMethods[] = {{"add", add, METH_VARARGS, "Add two numbers"},{NULL, NULL, 0, NULL}
};// 定义模块
static struct PyModuleDef myfastmodule = {PyModuleDef_HEAD_INIT,"myfast",       // 模块名NULL,           // 文档（可为 NULL）-1,MyFastMethods
};// 初始化模块
PyMODINIT_FUNC PyInit_myfast(void) {return PyModule_Create(&myfastmodule);
}

2） setup.py 构建脚本：

from setuptools import setup, Extensionmodule = Extension('myfast', sources=['myfast.c'])setup(name='myfast',version='1.0',description='A demo C extension for Python',ext_modules=[module]
)

3）编译模块

运行：

python setup.py build_ext --inplace

这会生成一个 .so 文件（Linux/mac）或 .pyd（Windows），然后就可以像普通模块一样导入：

4）Python 中使用

import myfastprint(myfast.add(3, 5))  # 输出 8

高级应用方向

调用已有 C/C++ 库（如 OpenSSL、libcurl）

可以封装 C 函数为 Python 接口，甚至是使用 extern 引用已有 .so/.dll。

写“黑盒”模块

很多商业代码、加密算法，甚至反爬参数逻辑会被写成 C 模块，然后 只暴露一个接口给 Python，大大提高逆向难度。

 用于性能关键场景

在图像处理、数据加密、音视频处理、矩阵运算、机器学习中，Python 常调用 NumPy（内部也是 C 实现）。