Python Virtual Machine

Interpreter

파이썬은 Interpreter를 통해 실행된다.

❯ python
Python 3.9.13 | packaged by conda-forge | (main, May 27 2022, 17:00:33)
[Clang 13.0.1 ] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

 

python을 실행하면 interactive shell이 실행되는데, 한줄 씩 코드를 입력하고 독립적으로 코드를 실행하고 결과를 출력한다.

C, Java 기반의 컴파일 언어보다 유연하게 코드 작성 및 실행이 가능하지만, 성능적인 부분에서 trade off가 발생한다.

왜 C, Java보다 성능이 떨어질까?

Overhead 발생
파이썬은 line마다 byte code로 컴파일되어, runtime(PVM)에서 실행된다. 바로 binary file을 실행하는 imperative Language보다 한단계를 더 거치에 여기서 overhead가 발생한다.

하드웨어 최적화의 제한
CPU가 이해할 수 있는 instruction으로 컴파일되는 C와 Java는 pipelining, branch optimization등 하드웨어 내의 최적화가 가능하지만, Python은 PVM내에서 Complier 단계의 최적화만 가능하다.

컴파일 최적화
Java의 경우, 자바 가상 머신(JVM)은 Just-In-Time(JIT) 컴파일러를 통해 실행 시점에 바이트 코드를 기계어로 컴파일하고 최적화한다. 이 방법은 초기 실행 속도는 느릴 수 있지만, 장기적으로는 실행 속도를 크게 향상 가능하다. Python도 PyPy와 같은 대안적인 구현체에서 JIT 컴파일을 지원하여 성능을 개선하고 있으나, 기본적인 CPython 구현체는 이러한 기능을 제공하지 않는다.

Script Run

i = 3
print(i)

다음과 같은 Script를 실행시킬 때, 아래의 step대로 코드를 실행한다.

1. parsing, syntax analysis : code string parsing, syntax analysis 진행
2. byte code complier : PVM이 실행가능한 형태의 byte code(IR)로 컴파일을 진행한다. 주로 pyc 확장자 파일로 생성되며 __pycache__ 폴더에 저장된다. 만약 같은 script를 실행시킬 때, 기존의 컴파일된 byte code를 실행시키도록 cache한다.
3. execution : 바이트 코드는 파이썬 가상 머신(PVM)에 의해 실행된다. PVM은 스택 기반의 인터프리터로, 바이트 코드를 한 줄씩 읽어 실행하며 필요한 연산을 수행된다. 여기서 실제 프로그램의 로직이 수행된다.

PVM (Python Virtual Machine)

앞선 Script Run을 수행하는 프로그램이 PVM이다. 주로 C로 작성된 CPython이 사용되고 이외에 PyPy, Jython 등 다양한 PVM이 존재한다.

메모리 관리

Stack

C와 마찬가지로 함수 stack frame을 저장하는데 여기엔 local variable, parameter, return address를 저장한다.

Heap

이외에 리스트와 같은 Object들은 heap영역에 저장하게 되는데, 할당된 Object들은 del 또는 garbage collector 에서 reference count가 0이되면 자동으로 메모리 해제를 진행한다.
추가적으로 instance, global variable도 heap영역에 저장된다

서강대학교 CSE4050 (Programing Lanaguage) Lecture slide

Trade off

파이썬은 PVM이 메모리 관리를 수행하기에 간단하게 코드를 작성할 수 있다. 다만 GC를 사용함으로써 서버 프로그램 구동 시, 문제가 발생할 수 있다.

서버 프로그램에서 문제

실시간 처리 제한
GC를 작동하는 순간(순환 참조 확인, ref count update)은 PVM이 결정하기에, 웹서버에서 reqeust를 처리할 때 성능 문제가 발생할 수 있다. (response time 증가)
오랜시간 프로세스 구동 시 GC가 관리할 메모리 블럭들이 늘어나고 그 만큼 연산시간이 증가한다.

코드 실행

명령어 실행

PVM은 스택 기반의 실행 모델을 사용합니다. 각 바이트 코드 명령어는 특정 작업(예: 변수 할당, 산술 연산, 객체 접근 등)을 수행하며, 이는 스택을 통해 관리된다. 예를 들어, 두 수의 덧셈 연산은 두 수를 스택에 푸시한 후, 덧셈 명령어를 실행하여 결과를 스택에 저장한다.

조건문

조건이 참인지 거짓인지 평가한 후, 해당 결과에 따라 실행 흐름을 분기한다.

반복문

while 문은 조건이 참인 동안 계속해서 코드 블록을 반복 실행하고, for 문은 시퀀스의 각 항목에 대해 코드 블록을 실행한다. PVM은 내부적으로 루프 카운터와 종료 조건을 관리하여 루프의 실행을 제어한다.

Trade off

PVM은 C로 작성되었기에 byte 코드를 실행시킬때, line별로 C코드를 실행시키는 것과 같다. 때문에 실제 CPU가 실행하는 assembly code는 pipelining, Optimization 이 line별로만 가능하다. 따라서 성능적으로 최적화된 어셈블리 코드를 직접 실행하는 것에 비해 일정 부분 성능 저하가 발생할 수 있다. 마찬가지로, 조건문이나 반복문과 같은 분기 코드를 처리할 때도 성능적인 제약이 따른다.

 

https://ljy2855.github.io/obsidian.md/Language%20Deep%20Dive/Python/Python%20Virtual%20Machine.html

Python Virtual Machine