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你對如何讓調(diào)試器變得更快產(chǎn)生過興趣嗎？本文將分享我們在為 Python 構(gòu)建調(diào)試器時(shí)得到的一些經(jīng)驗(yàn)。

整段故事講的是我們在 Rookout 公司的團(tuán)隊(duì)為 Python 調(diào)試器開發(fā)不中斷斷點(diǎn)的經(jīng)歷，以及開發(fā)過程中得到的經(jīng)驗(yàn)。我將在本月于舊金山舉辦的 PyBay 2019 上介紹有關(guān) Python 調(diào)試過程的更多細(xì)節(jié)，但現(xiàn)在就讓我們立刻開始這段故事。

Python 調(diào)試器的心臟：sys.set_trace

在諸多可選的 Python 調(diào)試器中，使用最廣泛的三個(gè)是：

• pdb，它是 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分
• PyDev，它是內(nèi)嵌在 Eclipse 和 Pycharm 等 IDE 中的調(diào)試器
• ipdb，它是 IPython 的調(diào)試器

Python 調(diào)試器的選擇雖多，但它們幾乎都基于同一個(gè)函數(shù)：sys.settrace。 值得一提的是， sys.settrace 可能也是 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫中最復(fù)雜的函數(shù)。

set_trace Python 2 docs page

簡單來講，settrace 的作用是為解釋器注冊一個(gè)跟蹤函數(shù)，它在下列四種情形發(fā)生時(shí)被調(diào)用：

• 函數(shù)調(diào)用
• 語句執(zhí)行
• 函數(shù)返回
• 異常拋出

一個(gè)簡單的跟蹤函數(shù)看上去大概是這樣：

def simple_tracer(frame, event, arg):
  co = frame.f_code
  func_name = co.co_name
  line_no = frame.f_lineno
  print("{e} {f} {l}".format(
e=event, f=func_name, l=line_no))
  return simple_tracer

在分析函數(shù)時(shí)我們首先關(guān)注的是參數(shù)和返回值，該跟蹤函數(shù)的參數(shù)分別是：

• frame，當(dāng)前堆棧幀，它是包含當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行時(shí)解釋器里完整狀態(tài)的對象
• event，事件，它是一個(gè)值可能為 call、line、return 或 exception 的字符串
• arg，參數(shù)，它的取值基于 event 的類型，是一個(gè)可選項(xiàng)

該跟蹤函數(shù)的返回值是它自身，這是由于解釋器需要持續(xù)跟蹤兩類跟蹤函數(shù)：

• 全局跟蹤函數(shù)（每線程）：該跟蹤函數(shù)由當(dāng)前線程調(diào)用 sys.settrace 來設(shè)置，并在解釋器創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀時(shí)被調(diào)用（即代碼中發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)）。雖然沒有現(xiàn)成的方式來為不同的線程設(shè)置跟蹤函數(shù)，但你可以調(diào)用 threading.settrace 來為所有新創(chuàng)建的 threading 模塊線程設(shè)置跟蹤函數(shù)。
• 局部跟蹤函數(shù)（每一幀）：解釋器將該跟蹤函數(shù)的值設(shè)置為全局跟蹤函數(shù)創(chuàng)建幀時(shí)的返回值。同樣也沒有現(xiàn)成的方法能夠在幀被創(chuàng)建時(shí)自動設(shè)置局部跟蹤函數(shù)。

該機(jī)制的目的是讓調(diào)試器對被跟蹤的幀有更精確的把握，以減少對性能的影響。

簡單三步構(gòu)建調(diào)試器 （我們最初的設(shè)想）

僅僅依靠上文提到的內(nèi)容，用自制的跟蹤函數(shù)來構(gòu)建一個(gè)真正的調(diào)試器似乎有些不切實(shí)際。幸運(yùn)的是，Python 的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試器 pdb 是基于 Bdb 構(gòu)建的，后者是 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫中專門用于構(gòu)建調(diào)試器的基類。

基于 Bdb 的簡易斷點(diǎn)調(diào)試器看上去是這樣的：

import bdb
import inspect
 
class Debugger(bdb.Bdb):
  def __init__(self):
      Bdb.__init__(self)
      self.breakpoints = dict()
      self.set_trace()
 
def set_breakpoint(self, filename, lineno, method):
  self.set_break(filename, lineno)
  try :
      self.breakpoints[(filename, lineno)].add(method)
  except KeyError:
      self.breakpoints[(filename, lineno)] = [method]
 
def user_line(self, frame):
  if not self.break_here(frame):
      return
 
  # Get filename and lineno from frame
  (filename, lineno, _, _, _) = inspect.getframeinfo(frame)
 
  methods = self.breakpoints[(filename, lineno)]
  for method in methods:
      method(frame)

這個(gè)調(diào)試器類的全部構(gòu)成是：

1. 繼承 Bdb，定義一個(gè)簡單的構(gòu)造函數(shù)來初始化基類，并開始跟蹤。
2. 添加 set_breakpoint 方法，它使用 Bdb 來設(shè)置斷點(diǎn)，并跟蹤這些斷點(diǎn)。
3. 重載 Bdb 在當(dāng)前用戶行調(diào)用的 user_line 方法，該方法一定被一個(gè)斷點(diǎn)調(diào)用，之后獲取該斷點(diǎn)的源位置，并調(diào)用已注冊的斷點(diǎn)。

這個(gè)簡易的 Bdb 調(diào)試器效率如何呢？

Rookout 的目標(biāo)是在生產(chǎn)級性能的使用場景下提供接近普通調(diào)試器的使用體驗(yàn)。那么，讓我們來看看先前構(gòu)建出來的簡易調(diào)試器表現(xiàn)的如何。

為了衡量調(diào)試器的整體性能開銷，我們使用如下兩個(gè)簡單的函數(shù)來進(jìn)行測試，它們分別在不同的情景下執(zhí)行了 1600 萬次。請注意，在所有情景下斷點(diǎn)都不會被執(zhí)行。

def empty_method():
   pass
 
def simple_method():
   a = 1
   b = 2
   c = 3
   d = 4
   e = 5
   f = 6
   g = 7
   h = 8
   i = 9
   j = 10

在使用調(diào)試器的情況下需要大量的時(shí)間才能完成測試。糟糕的結(jié)果指明了，這個(gè)簡陋 Bdb 調(diào)試器的性能還遠(yuǎn)不足以在生產(chǎn)環(huán)境中使用。

First Bdb debugger results

對調(diào)試器進(jìn)行優(yōu)化

降低調(diào)試器的額外開銷主要有三種方法：

1. 盡可能的限制局部跟蹤：由于每一行代碼都可能包含大量事件，局部跟蹤比全局跟蹤的開銷要大得多。
2. 優(yōu)化 call 事件并盡快將控制權(quán)還給解釋器：在 call 事件發(fā)生時(shí)調(diào)試器的主要工作是判斷是否需要對該事件進(jìn)行跟蹤。
3. 優(yōu)化 line 事件并盡快將控制權(quán)還給解釋器：在 line 事件發(fā)生時(shí)調(diào)試器的主要工作是判斷我們在此處是否需要設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)。

于是我們復(fù)刻了 Bdb 項(xiàng)目，精簡特征、簡化代碼，針對使用場景進(jìn)行優(yōu)化。這些工作雖然得到了一些效果，但仍無法滿足我們的需求。因此我們又繼續(xù)進(jìn)行了其它的嘗試，將代碼優(yōu)化并遷移至 .pyx 使用 Cython 進(jìn)行編譯，可惜結(jié)果（如下圖所示）依舊不夠理想。最終，我們在深入了解 CPython 源碼之后意識到，讓跟蹤過程快到滿足生產(chǎn)需求是不可能的。

Second Bdb debugger results

放棄 Bdb 轉(zhuǎn)而嘗試字節(jié)碼操作

熬過先前對標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試方法進(jìn)行的試驗(yàn)-失敗-再試驗(yàn)循環(huán)所帶來的失望，我們將目光轉(zhuǎn)向另一種選擇：字節(jié)碼操作。

Python 解釋器的工作主要分為兩個(gè)階段：

1. 將 Python 源碼編譯成 Python 字節(jié)碼：這種（對人類而言）不可讀的格式專為執(zhí)行的效率而優(yōu)化，它們通常緩存在我們熟知的 .pyc 文件當(dāng)中。
2. 遍歷 解釋器循環(huán)中的字節(jié)碼： 在這一步中解釋器會逐條的執(zhí)行指令。

我們選擇的模式是：使用字節(jié)碼操作來設(shè)置沒有全局額外開銷的不中斷斷點(diǎn)。這種方式的實(shí)現(xiàn)首先需要在內(nèi)存中的字節(jié)碼里找到我們感興趣的部分，然后在該部分的相關(guān)機(jī)器指令前插入一個(gè)函數(shù)調(diào)用。如此一來，解釋器無需任何額外的工作即可實(shí)現(xiàn)我們的不中斷斷點(diǎn)。

這種方法并不依靠魔法來實(shí)現(xiàn)，讓我們簡要地舉個(gè)例子。

首先定義一個(gè)簡單的函數(shù)：

def multiply(a, b):
   result = a * b
   return result

在 inspect 模塊（其包含了許多實(shí)用的單元）的文檔里，我們得知可以通過訪問 multiply.func_code.co_code 來獲取函數(shù)的字節(jié)碼：

'|\x00\x00|\x01\x00\x14}\x02\x00|\x02\x00S'

使用 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫中的 dis 模塊可以翻譯這些不可讀的字符串。調(diào)用 dis.dis(multiply.func_code.co_code) 之后，我們就可以得到：

  4          0 LOAD_FAST               0 (a)
             3 LOAD_FAST               1 (b)
             6 BINARY_MULTIPLY    
             7 STORE_FAST              2 (result)
 
  5         10 LOAD_FAST               2 (result)
            13 RETURN_VALUE      

與直截了當(dāng)?shù)慕鉀Q方案相比，這種方法讓我們更靠近發(fā)生在調(diào)試器背后的事情?？上?Python 并沒有提供在解釋器中修改函數(shù)字節(jié)碼的方法。我們可以對函數(shù)對象進(jìn)行重寫，不過那樣做的效率滿足不了大多數(shù)實(shí)際的調(diào)試場景。最后我們不得不采用一種迂回的方式來使用原生拓展才能完成這一任務(wù)。

總結(jié)

在構(gòu)建一個(gè)新工具時(shí)，總會學(xué)到許多事情的工作原理。這種刨根問底的過程能夠使你的思路跳出桎梏，從而得到意料之外的解決方案。

在 Rookout 團(tuán)隊(duì)中構(gòu)建不中斷斷點(diǎn)的這段時(shí)間里，我學(xué)到了許多有關(guān)編譯器、調(diào)試器、服務(wù)器框架、并發(fā)模型等等領(lǐng)域的知識。如果你希望更深入的了解字節(jié)碼操作，谷歌的開源項(xiàng)目 cloud-debug-python 為編輯字節(jié)碼提供了一些工具。