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CPython 專案簡介

為你自己學 Python

這個章節我們來看看整個 CPython 專案長什麼樣子，以及試著編譯專案，我們會試著動手修改一點點 CPython 的原始碼，來感受一下當 Python Core Dev 是什麼感覺（開玩笑的）！

專案結構​

首先，先把專案從 GitHub 上拉一份下來：

$ git clone [email protected]:python/cpython.git -b v3.12.6 --depth=1

在本書中我使用的版本是 3.12.6 版本，所以如果版本不同，可能原始碼的內容會有些許不同。扣掉一些比較不重要的檔案，剛從 GitHub 拉下來的 CPython 專案的目錄大概是這樣：

CPython
├── Doc
├── Grammar
├── Include
├── Lib
├── Mac
├── Misc
├── Modules
├── Objects
├── PC
├── PCbuild
├── Parser
├── Programs
├── Python
└── Tools

先簡單介紹一下每個目錄裡放的檔案：

  • Doc：這很好猜，就如同它的名字一樣，就是放文件的地方，這些文件是用 reStructuredText（.rst） 格式編寫的，如果晚上睡不著可以拿出來啃，助眠效果很好！
  • Grammar：定義 Python 語法規則解析用的文件。
  • Include：專案裡 C 語言用到的 Header 檔案，後續如果想要幫 CPython 寫 extension 的話，應該會用到這裡的檔案。
  • Lib：標準函式庫，在這個目錄裡的程式是使用 Python 寫的，如果略懂 Python 的話，這個目錄裡的內容讀起來會比較親切。
  • Modules：同 Lib 目錄，不過這裡的內容是用 C 語言寫的。
  • Mac：這是給 Mac 作業系統用的東西。
  • Misc：雜七雜八的東西，依我自己個人的習慣，我開這種目錄就是用來放那些不知道怎麼分類的檔案。
  • Objects：所有 Python 內建物件的原始碼在這裡，例如 str 或是 list 都在這裡，在本書中會經常看到這個目錄裡面的檔案。
  • PCbuild：這是給 Windows 作業系統用的東西，特別是 Visual Studio，裡面有可以直接點兩下就能開啟的專案檔。
  • PC：同上，但是是給比較早期的 Windows 版本用的。大多數已經過時，但有些文件仍然是為了相容性而保留下來。
  • Parser：把 .py 檔轉換成 Python 看的懂的 Token 的程式碼在這裡，難度有一點高。
  • Programs：存放與 CPython 執行檔相關的原始碼。
  • Python：CPython 直譯器（Interpreter）的原始碼在這裡，難度比較高，但對直譯器有興趣的可以看看。
  • Tools：一些開發和維護 Python 的輔助工具。

以本書來說，比較常看到的應該是 Include、Lib、Modules、Objects 和 Python 這幾個目錄，這些都是 CPython 直譯器的核心原始碼，如果想要了解 Python 的運作原理，可能就得多一些時間泡在這些目錄裡。

編譯專案​

專案下載後，先 cd 切換到剛才下載的專案並執行 ./configure 指令：

$ cd cpython
$ ./configure

./configure 指令會在畫面上不斷的跳出一堆大家可能看不懂的資訊，這個過程大概是在檢查系統環境，看看有沒有缺什麼套件或函式庫，沒問題的話會產生一個 Makefile 檔案，這個 Makefile 會告訴待會要執行的 make 指令待會應該要怎麼編譯整個專案。

如果在 ./configure 後面加上 --prefix 參數，像這樣：

$ ./configure --prefix=/tmp/my-python

有特別加上 --prefix 的話，之後如果執行 make install 指令進行安裝的時候，就會把編譯好的 Python 以及相關的程式安裝到 /tmp/my-python 目錄裡。不過我並沒打算執行 make install 進行安裝，所以可以先不加 --prefix 參數，等到後續有機會執行其它外部程式（例如 pip）的時候再加即可。

接著執行 make 指令，這個指令會根據剛才產生的 Makefile 檔案來編譯整個專案：

$ make

編譯的過程可能會花一點點時間，如果編譯過程沒出錯的話，應該會在根目錄產生一個 python.exe 執行檔，即使在 macOS 上也是叫這個名字。我知道在 macOS 看到 .exe 可能有點不太習慣，不過這是刻意的設計，因為在 CPython 專案裡剛好就有個 Python/ 目錄，所以刻意選擇 python.exe 而不是 python 就是為了避免跟這個目錄發生衝突。

如果想要「安裝」剛才我們自己編譯出來的 Python 版本，可以執行：

$ make install

剛才在 ./configure 指令後面如果有加上 --prefix 參數，這個指令會把 Python 安裝到指定的目錄裡。不過就算不安裝也沒關係，執行剛才編譯出來的 python.exe 也可以直接執行。接下來，執行剛才編譯出來的 python.exe，就會看到我們熟悉的 REPL 環境了：

$ ./python.exe
Python 3.12.6+ (heads/3.12:b2a7d718e3b, Sep 15 2024, 23:31:57) [Clang 15.0.0 (clang-1500.3.9.4)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import sys
>>> sys.version
'3.12.6+ (heads/3.12:b2a7d718e3b, Sep 15 2024, 23:31:57) [Clang 15.0.0 (clang-1500.3.9.4)]'

在版號後面的 + 表示這個 Python 版本並不是一個正式發行的版本，可能是「開發版本」或我們自己拿原始碼來編譯的「自訂版本」。

跟 CPython 打招呼！​

接下來這回我們來動手改一點 CPython 原始碼，加入一些我們想要效果，例如，我想要一進到 REPL 的時候就先印個 Hello，離開 REPL 的時候也有禮貌的說聲 Bye，禮多人不怪嘛！為了做到這個效果，我得先找到進入 REPL 的那段程式碼。這段程式碼在 Python/pythonrun.c 裡，翻一下 _PyRun_InteractiveLoopObject() 函數，應該會看到一個 do...while... 迴圈，這個迴圈，就是全名 Read-Eval-Print Loop 的 REPL 的那個 Loop：

檔名：Python/pythonrun.c
int
_PyRun_InteractiveLoopObject(FILE *fp, PyObject *filename, PyCompilerFlags *flags)
{
    PyCompilerFlags local_flags = _PyCompilerFlags_INIT;
    // ... 略 ...

    do {
        ret = PyRun_InteractiveOneObjectEx(fp, filename, flags);
        // ... 略 ...
    } while (ret != E_EOF);
    return err;
}

這段程式不算難懂，重點就在這個 do...while... 迴圈裡。如果我想在進到 REPL 迴圈之前先打聲招呼，應該只要在 do 前面來個 printf() 就行了。為了感覺自己有點像在寫程式的樣子，我刻意在這個檔案寫一個 say_something() 函數，其實這個函數就只是把傳進去的字串印出來而已：

檔名：Python/pythonrun.c
void
say_something(const char *message)
{
    printf("==============\n");
    printf("%s\n", message);
    printf("==============\n");
}

因為待會要在 _PyRun_InteractiveLoopObject() 函數裡呼叫 say_something()，所以要把 say_something() 寫在 _PyRun_InteractiveLoopObject() 的前面。然後就可以準備來呼叫它了：

檔名：Python/pythonrun.c
int
_PyRun_InteractiveLoopObject(FILE *fp, PyObject *filename, PyCompilerFlags *flags)
{
    PyCompilerFlags local_flags = _PyCompilerFlags_INIT;
    // ... 略 ...

    say_something("Hello CPython");  // 加這行

    do {
        ret = PyRun_InteractiveOneObjectEx(fp, filename, flags);
        // ... 略 ...
    } while (ret != E_EOF);

    say_something("Bye"); // 加這行
    return err;
}

這樣就能在進到 REPL 的時候印出 Hello CPython，離開 REPL 的時候印出 Bye 了。不像 Python 或 JavaScript 之類的程式語言改完立刻執行就能看到效果，用 C 語言寫的程式需要先編譯才能執行。再次執行 make 指令重新編譯 CPython，不過這次不會整個專案重新編譯，所以速度上應該會比上次快一些。

編譯完之後再重新執行一次：

$ ./python.exe
Python 3.12.6+ (heads/3.12-dirty:b2a7d718e3b, Sep 16 2024, 14:46:05) [Clang 15.0.0 (clang-1500.3.9.4)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
=============
Hello CPython
=============
>>> 1 + 2
3
>>> print("你好")
你好
>>> ^D
=============
Bye
=============

一進到 REPL 就會看到 Hello CPython，在按下 Ctrl+D 離開 REPL 的時候也會印出 Bye 字樣，這樣就算是成功了！

不過這還有個小問題，在 Python 3.12 版本，要離開 REPL 除了 Ctrl + D 之外還可以輸入 exit()，但現在輸入 exit() 並不會印出 Bye，各位看一下原本的 do...while... 迴圈就只有判斷 ret != E_EOF 而已。這個問題待會我們再來處理，我先來調整一下 say_something() 函數，因為它之後可能還會在別的地方被用到，所以我想把它抽出來，後續要用的時候就可以重複呼叫這個函數，也趁這個機會學一下在 C 語言裡怎麼把函數整理成模組！

超陽春模組​

在 C 語言裡要定義模組，大概是先在某個 .h 檔案宣告函數的原型，然後在另一個 .c 檔裡實作這個函數的功能，這在 C 語言是很常見的做法。根據前面對 CPython 專案結構的介紹，這種要被引入的 .h 檔案通常會放在 Include 目錄裡，而用 C 語言寫的 .c 檔案通常會放在 Modules、Python 或 Objects 目錄裡。Modules 目錄通常用來放擴展模組（C Extension），而核心功能通常在 Python 或 Objects 目錄中。由於我們加的這個 say_something() 函數算是修改直譯器的行為，我想把它擺在 Python 目錄更合適一點。

所以接下來我就依照 CPython 的慣例，在 Include 目錄裡建立 greeting.h 檔案。檔名是不是要叫做 greeting.h 你可以自己決定，檔案內容如下

檔案：Include/greeting.h
#ifndef _PY_GREETING_H
#define _PY_GREETING_H

extern void say_something(const char *message);

#endif

前面兩行的 #ifndef 和 #define 是一種名為 Header Guard 的寫法，是一種為了避免這個檔案被重複引入從而避免編譯錯誤的小技巧，這裡的 ifndef 是「if not defined」的意思，而 _PY_GREETING_H 就只是我自己隨便編的名字，只要不跟其它的重複就好。接著我在 Python 目錄裡建立一個 greeting.c 檔案，檔案內容如下：

檔案：Python/greeting.c
#include <stdio.h>
#include "greeting.h"

void say_something(const char *message)
{
  printf("=============\n");
  printf("%s\n", message); // 使用傳入的 message
  printf("=============\n");
}

內容跟剛才寫沒什麼差別，只是多引入了 greeting.h 檔案，這樣編譯器才知道 say_something() 函數的原型。

接下來要告訴 CPython 要把這兩個檔案編譯進去，這樣才能在 CPython 的原始碼裡使用 say_something() 函數。在 CPython 專案裡，要編譯的檔案都會在 Makefile.pre.in 裡列出來，這個檔案是用來產生 Makefile 的模板，所以我要在這裡加上 greeting.c 這個檔案，搜尋一下 PYTHON_OBJS，把我們自己寫的 greeting 找個地方加上去：

檔案：Makefile.pre.in
PYTHON_OBJS=	\
		Python/_warnings.o \
    ... 略 ...
		Python/suggestions.o \
		Python/perf_trampoline.o \
		Python/greeting.o \
		Python/$(DYNLOADFILE) \
		$(LIBOBJS) \
		$(MACHDEP_OBJS) \
		$(DTRACE_OBJS) \
		@PLATFORM_OBJS@

存檔之後需要重新執行 ./configure 指令，請它再次幫我們產生 Makefile。完成後再次執行 make 指令重新編譯 CPython，這樣就會把 greeting.c 編譯成 greeting.o。這樣一來就可以我們想要使用這個函數的地方把 "greeting.h" 引進來，例如：

檔案：Python/pythonrun.c
#include "pycore_pylifecycle.h"   // _Py_UnhandledKeyboardInterrupt
#include "pycore_pystate.h"       // _PyInterpreterState_GET()
#include "pycore_sysmodule.h"     // _PySys_Audit()
#include "pycore_traceback.h"     // _PyTraceBack_Print_Indented()
#include "greeting.h"

// ... 略 ...

只要引入 greeting.h，就可以直接呼叫我們自己定義的 say_something() 函數了。

離開也要說聲 Goodbye​

回來剛剛的 REPL，前面說到在 REPL 裡輸入 exit() 可以離開但卻不會在畫面上印出 "Bye" 字樣，這是因為 exit() 函數並不會觸發 ret != E_EOF 條件而結束迴圈。在 Python/pythonrun.c 裡搜尋一下 handle_system_exit() 函數，這個函數就是執行 exit() 的時候所對應用來離開 REPL 的函數，我們可以在裡面加上一行 say_something("Bye");：

檔案：Python/pythonrun.c
static void
handle_system_exit(void)
{
    int exitcode;
    if (_Py_HandleSystemExit(&exitcode)) {
        say_something("Bye");  // <-- 加上這行
        Py_Exit(exitcode);
    }
}

重新再 make 一次，這次應該就行了：

$ ./python.exe
Python 3.12.6+ (heads/3.12-dirty:b2a7d718e3b, Sep 16 2024, 15:41:49) [Clang 15.0.0 (clang-1500.3.9.4)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
=============
Hello CPython
=============
>>> print("Hey")
Hey
>>> exit()
=============
Bye
=============

Good，打完收工！不知道像這樣自己動手改 CPython 原始碼對各位來說是什麼樣感受呢。

是說，大家在學 Python 的時候，也許聽過「在 Python 裡什麼東西都是『物件』」的說法，所以下個章節我們就從這所謂的「物件」開始看，看看它到底長什麼樣子！

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