CPU眼里的:Python 和 C（cpp和python）

“Python跟C语言有什么联系？它们在计算机系统中分别扮演着什么角色？”

提出问题

Python可能是当今最热门的编程语言，凭借简洁易读的语法和强大的生态，成为许多新手程序员的首选。然而，作为一门解释型脚本语言，Python在底层操作（如文件读写、内存管理等）上是如何运行的呢？

为了深入理解其中的工作原理，我们不妨从一个Python程序入手，探究它在幕后如何与C语言协同工作，从而实现底层功能。

代码分析

我们的工作环境是Windows，一起登场的还有Windows开发的调试神器WinDbg。

首先在Windows命令行中运行Python，接着，让我们编写一个用来创建和打开文件的Python函数：open，如图所示：

第一个参数是文件的名称，第二参数是对该文件的访问方式，w表我们要作“写”操作。不着急点击回车键，在运行这个函数之前，我还要做点准备工作。

我们先预测一下：如果回车键按下去，会发生什么？因为Python只是一种脚本语言，本身并没有操作硬盘的能力，所以仅靠Python的力量，想创建一个文件是不可能的，必须要借助于Windows的底层API。

通过查询，我们知道这个API就是CreateFileW，其中W表明这是一个unicode的API接口。所以，我们猜这个Python的open函数，最终会调用CreateFileW这个C函数，你同意吗？

不过实践才是检验真理的唯一标准。让我们打开WinDbg，点击工具栏的File按钮，选择“Attach to a Process”，找到这个Python.exe进程，并将WinDbg挂接上去，如图所示：

这样我们就可以用WinDbg调试Python进程了！WinDbg会自动暂停我们的Python进程，所以，此时的Python命令行，无法接受我们的任何输入。

这时，我们在WinDbg的命令行中输入一个打断点的命令：bm *!CreateFileW

由于可能有多个Windows模块，都有一个叫做CreateFileW的API函数，所以通过这个命令，可以为每个名称为CreateFileW的API函数上，打上断点。如图所示：

如你所见，我们一共找到了3个这样的API函数，不过它们分属不同的Windows模块。

断点安插完毕，在WinDbg命令行中，输入go（g）命令，让Python进程继续运行。回到Python命令行，点击回车键，运行这个等候多时的open函数。在点击回车键的一刹那，我们刚才设定的断点，也被命中了，如图所示：

如你所见，Python进程果然停在了CreateFileW这个函数上，但谁能保证，这个CreateFileW函数，是Python调用的呢？很简单，我们只需要核实一下函数的第一个参数就好。如果函数的第一个参数也是“abuCoding.txt”，就说明这个参数来自刚才的Python代码。

那如何查看参数呢？因为没有调试信息，WinDbg无法找到参数名称，更无法读出参数的值。但事无绝对，如“CPU眼里的参数传递”所说，主调函数通常会通过CPU寄存器来传递参数。

例如：我们写一个类似的open函数，然后在main函数中调用一下，如图所示：

如你所见，它的第一个参数，也就是字符串的“abuCoding.txt”的内存首地址，它是通过CPU寄存器rdi(edi是其低32位)传递的。不过需要注意的是，这里的编译器是GCC，因为我们现在运行在Windows平台上，所以要把编译器改成msvc，也就是Visual C++编译器，如图所示：

跟GCC不同的是，这里的第一个参数是通过CPU寄存器rcx传递的，让我们通过在WinDbg命令行中，输入命令：r rcx，来查看一下寄存器rcx的值（0x28cd01c4c10）

然后，就可以通过 du 命令查看一下该内存地址（0x28cd01c4c10）上存放的字符了，如图所示：

如你所见，它跟我们刚才所写的Python代码中的参数（abuCoding.txt），完全一致！保险起见，我们再验证一下函数调用栈，让我们输入命令：k，查看一下调用栈，如图所示：

果然CreateFileW是沿着一堆Python相关的函数，一路调用过来的。如果还觉得不过瘾，我们还可以看看更底层的实现。

通过断点命令：bp ntdll!NtCreateFile，我们可以在更底层的nt模块下的 NtCreateFile 函数下打一个断点，然后输入 g，让程序继续运行。

好了，断点命中；输入命令p，可以作单步执行，忽略掉若干个我们不关心的CPU指令后，一个眼熟的CPU指令syscall映入眼帘，如图所示：

如“CPU眼里的系统调用”所说，这是x86 CPU 进行系统调用的CPU指令。具体的系统调用编号存放在CPU寄存器rax里面，这样操作系统就知道要执行哪一个系统调用了。通过命令“r rax”查看一下寄存器rax值，是：0x33

让我们核对一下Windows的系统调用表，如图所示：

如你所见，第0x33号系统调用，正好就是用于创建和打开文件的：NtOpenFile。如果一切顺利的话，abuCoding.txt 这个文件，就会被Windows操作系统顺利创建出来。

怎么样，使用WinDbg进行程序调试的体验如何？当然，WinDbg的功能远不止如此！它不仅可以调试用户态应用，还能深入驱动程序和内核，实现更底层的分析。不仅支持本地调试，还可以通过USB、串口、网络接口进行远程调试，轻松应对各种调试场景。可以说，掌握了WinDbg，就相当于拿到了一把畅行Windows调试世界的万能钥匙！

总结和思考

至此整个故事结束。你或许也发现了，无论是GCC还是Visual C++，它们在处理函数参数的传递上，都大同小异。

无论是Linux，还是Windows的系统调用，它们的工作原理也几乎相同，特别是在和CPU打交道地方，处理细节也几乎完全一致。

从使用的角度上看，Python的语法更加简洁、易懂，并加入很多高级功能（例如：数学运算、数据处理等），非常适合初学者快速入门，能让开发者专注于软件功能，而少掉很多细节上的羁绊。

相比之下，C/C++语言的规则更加复杂，需要开发者对内存管理、函数堆栈、甚至硬件属性，都要有所了解。这也导致C/C++语言的暗坑很多，开发者很容易遭遇到一些匪夷所思的bug。

但也正是C/C++语言，可以对计算系统进行精确控制，也让它成为关键系统、关键功能开发中不可或缺的存在。例如：在操作系统、游戏和AI加速等方面的开发工作中，C/C++往往都是不二之选。

最后，无论是Python语言还是C/C++语言，它们都在我们的手机、电脑里面扮演着不同的角色。你是更关注它们各自的特点和优势呢？还是更在乎谁是宇宙第一编程语言呢？

热点问题

Q1：本章看起来，感觉有点吃力，是因为我的汇编功底不够吗？

A1：其实，本文涉及的汇编指令并不多，翻来覆去也就是那几条读、写指令。但真正的核心，不在于这些指令本身，而在于它们背后的语言设计思想和计算机的整体运行机制——这才是理解的关键。

如果你觉得吃力，可能并不是因为汇编本身有多难，而是对WinDbg调试工具还不够熟悉。不妨亲自动手实践，按照本文的实验过程一步步走一遍，这样理解起来可能会更轻松。

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