1.2 Python程序的编写与运行

现代计算机基于冯 ·诺依曼体系，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，这是它的硬件组成部分。冯 ·诺依曼体系结构如图1-12所示。计算机使用者是不能直接操作这些硬件的，需要通过操作系统来访问这些硬件，操作系统是一种复杂的软件。

图1-12

Windows是大众熟知的计算机操作系统，平常使用的办公软件、浏览器和音/视频播放软件等都是运行在操作系统这个容器中的，而与硬件交互的工作都是由操作系统完成的。

总之，计算机系统由硬件和操作系统构成，在这两者的共同作用下，程序员编写的程序才得以在计算机中运行。下面主要介绍Python程序是如何在计算机中运行的。

笔者有话说

在本节的内容中，初学者只需大概了解Python程序在计算机中的运行过程即可，先建立一个整体的认识。这是一个很有效的学习方法。

1.2.1 磁盘文件helloworld.py

Python文件以.py作为扩展名。在计算机桌面上创建一个TXT文本文件，然后输入以下代码，编写完代码后，直接将文件名修改为helloworld.py。

# 以下代码必须顶格
print("hello world") 

文件helloworld.py是保存在磁盘中的文本文件，与用记事本创建的.txt文件并无本质区别。现代计算机基于冯 ·诺依曼体系，它只能理解二进制数据，Python程序代码是文本字符，是不能直接在计算机中运行的，所以需要借助某种翻译器，将Python源代码翻译成能被计算机理解的二进制指令。其中，安装的Python解释器就是一种程序源代码翻译器。

编程小知识

二进制数据是用0和1两个数码来表示的数，它的基数为2。现代计算机系统基于冯 ·诺依曼体系，使用的是二进制编码系统。

1.2.2 Python解释器

解释器（Interpreter）本质上是一种计算机程序，这类程序将程序员用编程语言编写的代码一行一行地翻译成字节码，字节码最终被翻译成机器指令，然后才能在计算机系统中运行。

解释器是逐行解释运行程序代码的，不会一次将整个程序转译，每次运行程序时都要先转成另一种语言再运行，因此解释器的程序运行速度比较缓慢。

这里以1.2.1小节中的Python代码来举例，其执行流程如下。

第1步： Python将代码print("hello world")转译成字节码。

第2步：将字节码载入内存。

第3步： Python逐条执行内存中的Python字节码。

笔者有话说

解释器的程序运行速度缓慢是相对于编译器来说的。编译器也是一种计算机程序。相比解释器的逐行运行，编译器有一个编译过程，通过这个编译过程，一次性将全部程序源代码转译成能被计算机执行的机器指令。Python是解释型语言，而C语言是广为开发者所知的编译型语言。

1.2.3 程序的字节码

字节码是Python程序的中间形式，一条Python语句会对应多条字节码指令。这里不细究字节码指令的具体形式，打一个简单的比方让初学者理解：假设print("hello world")被转译后的字节码指令为a,b,c，那么Python解释器会逐条执行a,b,c这些指令。

1.2.4 内存与CPU

helloworld.py程序是通过计算机中的输入设备（键盘）将代码逐行输入文件中的。在执行这个Python程序前，它被保存在硬盘中。读者已经知道，计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，硬盘就是计算机的外存储器。有外存储器当然也有内存储器，常说的内存就是内存储器。

不论是解释器还是编译器，待执行的指令最终被载入计算机内存中。CPU通过控制器从内存中读取指令，再执行算术运算和逻辑运算。

编程小知识

内存：计算机中的程序都是在内存中运行的，内存也被称为内存储器或主存储器，其存储的是程序中的数据和指令。

CPU：中文释义为中央处理单元，是计算机的核心部件，负责执行计算机指令，主要由运算器和控制器构成。

1.2.5 输出到命令行

在执行完Python程序后，屏幕上会显示结果，如图1-13所示。CPU在执行完Python源程序转译后的机器指令以后，将存储在内存中的数据"hello world"字符串读取到CPU的寄存器中，再从寄存器中复制到输出设备（显示器），就能在屏幕上显示hello world的输出结果。

图1-13

编程小知识

寄存器是CPU的寄存器阵列，这些寄存器用于在内存与CPU之间暂存数据。

1.2.6 技术总结

本节主要包含以下6个重要的知识点，请读者多加巩固。

① 现代计算机基于冯 ·诺依曼体系，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

② Python是一种解释型语言，Python解释器先将Python源程序转译成Python字节码，再逐行解释执行字节码指令。

③ 计算机只能理解二进制数据，程序员编写的代码需要转译成二进制指令才能被执行。

④ 硬盘是计算机的外存储器，存储了程序源代码；内存是计算机的内存储器，计算机中的程序都是在内存中运行的。

⑤ CPU是计算机的核心部件，主要由运算器和控制器构成，负责执行计算机指令。

⑥ CPU将内存中的数据复制到输出设备中，这样才能在显示器等终端设备中看到程序的输出结果。