Python到底有没有编译器?_python编译器

前言

简单地说，Python有编译，也有编译器。可比知道有没有更为重要的事情是，为什么说有。

一个技术通常有两个层面的东西，第一个层面是标准，第二个层面是实现。

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标准在于界定概念，明确概念的范围和边界，被视作一种规范，通常以规格说明说书或者协议文档的形式呈现。

实现在于将标准中定义的概念落到实处，能够直接被程序员拿来做开发与生产，通常以软件库、应用程序、服务的形式呈现。

Python技术自然也是有标准，有实现的。

对于经验比较浅的技术人员，标准和实现往往分不清。想来主要有以下的一些原因：

1. 标准中的概念高度抽象，难以理解；
2. 标准以文档为形式，对一个概念的验证手段复杂，经验浅的人知识储备不足，容易误解；
3. 标准中的概念有边界，有留白，不同的实现会在此引入差异，造成误解；
4. 实现虽然相对具体，但仍旧依托概念来描述；区分不清标准中的概念与实现中的概念；
5. 实现门派林立、研发周期短，还有些非技术的因素参杂其中；
6. 实现与标准中的概念虽有规范，定义严格，但不同人脑对其解释仍旧千差万别。

编译和编译器都是概念，解释和解释器也都是概念。先不谈标准和实现中用形式化语言描述的概念，而是要意识到，不精确的人脑中的感性认知的概念是千差万别的。在此需要先做些感性上的澄清。

编译这个概念的核心是翻译， 从一种语言翻译到另一种语言，重在说输出是不同于输入语言的第二种语言。

编译器是做翻译的一个工具。编译器通常理解为，接受源语言，产生目标语言，这样一个概念模型。因此，界定是不是编译器，就在于检查输入是不是一种语言，输出是不是另一种语言。说一个编程语言技术有没有编译器，会略复杂些，还是要从标准和实现两个层面看。

至此需要举例子来说明。说C/C++语言、Java语言有编译器，大家往往都没有异议。狭义地理解，C/C++语言的编译器有gcc[1]、clang[2]等，Java语言的编译器有javac[3]。gcc或clang接受的源语言不严格地讲是C或C++，产生的目标语言是汇编语言或者二进制机器语言。javac接受的源语言是Java，产生的目标语言是Java字节码。

不管gcc还是clang，相对C/C++语言的标准而言，都是实现，它们各自可以有自己的标准，但对C/C++的标准而言，它们标准也仍旧是实现。可见标准与实现是相对的，不是绝对的，只是站在哪个角度看的问题。

人们对C/C++或者Java有编译器的论断不会产生疑惑的原因在于，在语言标准层面，编译和解释就已经明确分离了。

Java语言有明确的Java语言规格规范[4]和Java虚拟机规范[5]，一个描述源语言，另一个描述目标语言。技术是人为创造的，不能脱离了人和时代来看待技术。Java语言诞生之初为了解决程序语言在互联网中跨平台的问题，因此设计之初就将虚拟机的规范包含其中，分离语言规范和虚拟机规范也是Java语言能够获得巨大成功，广泛流行的重要原因之一。

C/C++情况复杂些。以下仅就C语言的情况做个举例说明。

C语言在1989年被美国国家标准协会（ANSI）标准化后，称作ANSI C。在1990年，国际化标准组织（ISO）采用了ANSI C的标准，标准化编号是ISO/IEC 9899:1990，俗称C90或者C89。后续的修订版本中，有C99、C11、C17、C2x等[6]，均沿用了以修订年份后两位命名的传统。

在网上免费预览ISO/IEC 9899:2018(en)的章节目录，可以注意到C语言的标准中谈到了运行环境、语言和库。语言和库自不必说，是源语言的规范。运行环境一章（图1）第一节叫概念模型，即定义核心的概念来描述C语言的程序结构和程序运行环境。看第一节下面的两小节题目分别是翻译环境（Translation environment）和执行环境（Execution environments）。翻译环境用的单数，是标准化的，虽然实现可以多样，但实现中所实现的编译环境需要满足标准中定义的程序结构、编译阶段和调试方法等规范。执行环境用的复数，意在指出宿主机是多种多样的，比如MacOS、Linux的各种版本、Windows等等。可C语言的标准中仅仅做了些宿主机无关的环境要求，包括程序的启动、执行和终止，特别单列了多线程环境的规范。

图1 ISO/IEC 9899:2018(en)目录节选

从C语言的规范中可以得到两个结论：其一，C语言规范只规定了源语言的标准，不规定目标语言的标准；其二，C语言规范分节规定了翻译环境和执行环境。

这两条结论综合起来就是，翻译和执行可以分开做成两个部分，也是大部分实现所采用的。要说清楚为什么要分开，分开的好处是什么，涉及到工程实践中的开发管理和工程经济相关的理由了，在此不做赘述。

说到翻译和执行的分离，自然要说解释了。

解释这个概念的核心就是执行，将一种语言指令加载、读取，按照规范进行执行。处理器的本职工作，以及操作系统的进程模型的本职工作，就是执行一种语言的指令，用模糊、笼统、感性的词汇说就是解释。

解释器是一个执行工具。执行输入的指令，并且输出一些文本、声音、字节流等等。输入的指令形态，如果暴露给程序员，比如.obj、.dll、.class等等，那么人们往往认为编译器和解释器独立为两个东西；如果没有暴露给程序员封装在内部，那么就认为是对源代码的直接解释。可事实并非如此，编译器虽然没有单独拆出来做成一个可执行程序，但编译的过程在狭义的“解释器”的内部是不可能缺少的。

由此，说Java虚拟机是一个解释器，操作系统是个解释器，计算机中央处理器是个解释器，不够学术，不够精确，但认识上是清晰的、确切的。解释器不一定非要是狭义的JavaScript的V8那样的。

回到Python语言[7]。在语言的标准层面，可参考的标准是名为《Python语言参考》[8]的文档。浏览这个文档的目录，其中第四章执行模型和第五章导入系统跟解释比较相关（图2）。程序的结构和模块的导入都是围绕源程序的概念层面说的，并没有明确引入额外的编译环境等概念，这也是人们常认为Python是个解释型的语言的主要依据。

图2 《Python语言参考》的目录节选

编译在语言的标准层面定义的缺失并不意味着能没有编译。这些需要在实现层面去考虑。Python语言的实现层面变种很多[9]，Guido van Rossum给出的实现被称作CPython，是Python语言的参考版本。引述原文[10]是这样说的：

CPython is Guido van Rossum’s reference version of the Python computing language. It’s most often called simply “Python”; speakers say “CPython” generally to distinguish it explicitly from other implementations.

单就CPython这个实现来讲，是有编译器的，且编译器的设计文档在此

Design of CPython’s Compilerdevguide.python.org/compiler/

开篇第一句话就说了“In CPython, the compilation from source code to bytecode involves several steps”。显然在CPython这个实现的模型中有bytecode，只是这不是Python语言标准的一部分，只是CPython这个实现中采用的一种方案。

最后，回到标准和实现这组概念上。它们的关系，如同科学与技术的关系，如同数学和物理的关系。建立起这样的意识对于看懂和查阅技术手册是重要的，远比知道Python到底有没有编译器来得重要。想要在这点上有更深入的思维训练，请阅读《UNIX环境高级编程》的第二章UNIX标准与实现。

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