对于 Python 是一门优雅的语言，这一点应该不会有太多人反对，随着我们对 CPython 实现的研究，不得不说 Python 的优雅一直渗透到它的底层，在 Python 的 C 实现这一层，几乎全部以 Python C API 实现，函数之间传递的是 Object *，Dict、Tuple、List 等对象，在 CPython 的 C 实现中更是随处可见。

如果将 Python 进行分层，最底层是基本的内存管理，之上就是 Python 强大的类型和面向对象系统，Python VM 甚至也是高度依赖于其自身的类型系统，在最顶层支撑了 Python 语言的用户接口。Python 语言实际上是对 Python 类型系统和 VM 的操作。

一切从 main 开始

所有 C 语言程序都必须有一个 main 函数，Python，更准确的说 CPython 也是一个程序，main 就是它运行的开端。找到这个开端，就算是理清 “头绪” 的第一步。

在 GDB 中设置 main 函数的断点，很容易找到 Python 的入口位置：

// Programs/python.c:16

int
main(int argc, char **argv)
{
    return Py_BytesMain(argc, argv);
}

非常简单，可以看到进入 main 函数之后，只有一个简短的 Py_BytesMain 函数，实际上这个函数可不简单，Python 的一切都在这个函数里，如果在交互模式下，这个函数也不会像想象中一样迅速返回。如果一直追踪下去，会遇到下面这个比较长的函数：

// Modules/main.c:551
static void
pymain_run_python(int *exitcode)
{
    // ··· ···

    // some if-else conditions
    else if (config->run_filename != NULL) {
        // 执行 py 文件
        *exitcode = pymain_run_file(config, &cf);
    }
    else {
        // 交互模式
        *exitcode = pymain_run_stdin(config, &cf);
    }

    // ··· ···
}

在这里 Python 的运行流程开始分道扬镳，执行文件，或者进入交互模式从标准输入读取指令，分别由不同的函数处理。Python 的初始化工作也大体结束，真正开门营业了。

如果留意源码中的 Object *，实际上此时 Python VM 还什么都没有干呢，但 Python 对象已经先跑起来了。Object 很早就存在于 Python 中，这也是在研究 VM 之前，破天荒的优先认识类型系统的原因。

py 文件的执行

Python 的交互模式可以认为是临时一行一行写代码，写一点执行一点。为了方便，我们现在先搞清楚 py 文件是怎么执行的就好了，也就是要让程序流运行到 pymain_run_file 里面去。方法也很简单，在 GDB 执行 run test.py 就可以了，这就相当于执行 python test.py。这个 test.py 是我临时写的一小段代码；

print("hello world")

"hello world" 是如此流行，我们也遵守这个习惯好了。

如果一切顺利，很快就会找到这里：

// Python/pythonrun.c:1039

PyObject *
PyRun_FileExFlags(FILE *fp, const char *filename_str, int start, PyObject *globals,
                  PyObject *locals, int closeit, PyCompilerFlags *flags)
{
    // ··· ···

    filename = PyUnicode_DecodeFSDefault(filename_str);

    // ··· ···

    // 从文件对象，构建 AST
    mod = PyParser_ASTFromFileObject(fp, filename, NULL, start, 0, 0,
                                     flags, NULL, arena);
    // 执行该语法数
    ret = run_mod(mod, filename, globals, locals, flags, arena);

    // ··· ···
}

// Python/pythonrun.c:1132

static PyObject *
run_mod(mod_ty mod, PyObject *filename, PyObject *globals, PyObject *locals,
            PyCompilerFlags *flags, PyArena *arena)
{
    // ··· ···

    // 编译，生成 codeobject，co 是它的缩写
    co = PyAST_CompileObject(mod, filename, flags, -1, arena);

    // ··· ···

    // 执行 codeobject
    v = run_eval_code_obj(co, globals, locals);
    Py_DECREF(co);
    return v;
}

到了这里，我们可以暂时先不继续深入跟进，可以看到在 run_eval_code_obj 返回的时候，test.py 已经正确执行，打印了 "hello wold"。

如果算上 PyRun_FileExFlags 之前某处打开 py 文件，那么 py 文件的运行至少经历了这些步骤：

test.py 也就是源码文件，首先被打开并封装为 Python 的文件对象；
之后构建 AST，即抽象语法树，编译原理是另外一个话题了，有兴趣可以阅读编译原理经典著作龙书、虎书、鲸书；
再将 AST 转换为 Python 字节码，源码中已经可以看出，字节码保存在 codeobject 中；
最终执行该字节码，结束。

这样一个简单的 py 文件就执行完毕了。

文件操作、编译原理等问题已经超出我们研究的范围，另外在生成 codeobject 前还有一个优化过程，我们也暂时搁置这一议题，后面我们将会重点研究 codeobject，以及 Python VM 到底是如何响应字节码的指令，最终把 Python “运行” 起来的。

Think In Python

51. Python 是如何运行起来的？

一切从 main 开始

py 文件的执行