信息学科竞赛教育训练计划——CPython初探

组员信息：

230122183 洪宇轩（暑期计划结束，重新开题）
230122185 温志宏

基本目标

在3~16周掌握CPython的基本架构和运行机制，能够理解其源码并具备一定修改或扩展能力。

第3周：Python的高级特性

• 目标：深入理解Python本身的一些高级特性，为后续理解CPython做好准备。

• 学习内容：

  • 复习Python的基本语法和数据结构（列表、字典、元组等）
  • 理解Python中的内存管理机制：引用计数、垃圾回收
  • 了解Python中的对象模型（__dict__、__slots__）
  • 学习装饰器、生成器、上下文管理器等高级特性

• 任务：

  • 使用Python实现一个简单的装饰器和生成器
  • 阅读Python官方文档中的数据模型章节

第4周：C语言基础学习

• 目标：掌握C语言的基本语法和数据结构，为后续阅读CPython源码做准备。

• 学习内容：

  • C语言基本语法（变量、控制流、函数）
  • 指针和内存管理
  • 结构体与联合体的使用
  • 动态内存分配（malloc/free）

• 任务：

  • 使用C语言编写一些简单的程序：如冒泡排序、链表等
  • 理解指针的基本操作和内存管理

第5周：了解CPython的架构

• 目标：对CPython的整体架构有一个宏观的了解，理解其核心模块和执行流程。

• 学习内容：

  • CPython是如何将Python代码解释执行的
  • 理解CPython的架构：编译器、解释器、内存管理、垃圾回收等模块
  • 熟悉CPython的目录结构与核心文件（如pythonrun.c、ceval.c）
  • 了解编译和安装CPython的过程

• 任务：

  • 下载并编译CPython源码：CPython官方GitHub
  • 找到并理解CPython核心文件中的函数，如PyObject结构

第6周：动手搭建CPython开发环境

• 目标：能够在本地成功编译CPython，并开始熟悉其源码。

• 学习内容：

  • 在本地搭建开发环境（Linux/Mac/WSL环境更佳）
  • 安装所需的依赖和工具链（如GCC、Make）
  • 理解Makefile和CPython的编译过程
  • 学习如何进行简单的源码修改与重新编译

• 任务：

  • 修改CPython的源码，使其打印出额外的调试信息
  • 重新编译并测试修改后的CPython

第7周：字节码与解释器

• 目标：了解Python代码是如何被编译为字节码，并由解释器执行的。

• 学习内容：

  • Python代码的执行过程：从源代码到字节码
  • 学习CPython的编译器模块，了解如何将Python源码转换为字节码
  • 深入阅读ceval.c文件，理解解释器的执行过程
  • 理解字节码指令和虚拟机的工作原理

• 任务：

  • 编写一个简单的Python程序并使用dis模块查看其字节码
  • 阅读并理解CPython解释器的核心执行循环（PyEval_EvalFrameEx）

第8周：对象模型与内存管理

• 目标：理解CPython中对象的实现和内存管理机制。

• 学习内容：

  • 理解Python对象模型，深入阅读object.c和obmalloc.c
  • 了解Python中每个对象的内存布局与引用计数
  • 垃圾回收机制：标记-清除算法与分代回收
  • 研究PyObject结构体的实现，理解其对各种Python对象的抽象

• 任务：

  • 跟踪某些常用数据结构（如列表、字典）在内存中的分配和释放过程
  • 修改CPython源码，打印出每个对象创建和销毁的日志信息

第9周：内建模块与扩展机制

• 目标：理解CPython中的内建模块和如何编写C扩展模块。

• 学习内容：

  • 学习CPython内建模块的实现，了解其与Python语言的交互
  • 了解Python的C API，学会如何编写C扩展模块
  • 深入理解import机制，了解模块的加载过程

• 任务：

  • 阅读一些常见的内建模块（如math、sys）的源码
  • 编写一个简单的C扩展模块并在Python中调用

第10周：调试与性能分析

• 目标：掌握CPython的调试方法，并了解Python的性能瓶颈。

• 学习内容：

  • 学习如何使用调试器（如gdb）调试CPython
  • 理解如何通过性能分析工具（如valgrind、perf）发现性能瓶颈
  • 了解影响Python性能的因素，如全局解释器锁（GIL）

• 任务：

  • 使用gdb调试CPython源码，分析函数调用栈
  • 使用性能分析工具，分析一个Python程序的性能瓶颈

第11周：CPython的线程与并发模型

• 目标：理解CPython的并发模型以及全局解释器锁（GIL）的工作机制。

• 学习内容：

  • 研究CPython中的线程模型和线程安全机制
  • 深入理解GIL的设计与影响
  • 学习CPython中的多线程与多进程模块实现

• 任务：

  • 编写一个简单的Python多线程程序，观察GIL的影响
  • 阅读并理解CPython中与线程相关的源码部分

第12周：垃圾回收机制深入研究

• 目标：深入理解CPython的垃圾回收机制，尤其是分代回收机制。

• 学习内容：

  • 了解CPython的垃圾回收算法及其优化策略
  • 深入阅读gcmodule.c，了解分代垃圾回收器的实现
  • 研究如何通过修改垃圾回收参数来优化性能

• 任务：

  • 修改CPython源码中的垃圾回收参数，测试其对性能的影响
  • 编写一个Python程序，验证分代垃圾回收机制的效果

第13周：学习Python 3的新特性及其在CPython中的实现

• 目标：了解Python 3.x的新特性是如何在CPython中实现的。

• 学习内容：

  • 阅读Python 3.x中的重要新特性（如类型注解、f-strings、异步IO）的实现
  • 理解这些特性在CPython中的实现细节

• 任务：

  • 阅读某个新特性的PEP（Python Enhancement Proposal）
  • 在CPython源码中定位并理解相关实现

第14周：探索CPython的优化机制

• 目标：理解CPython中的性能优化技术与JIT的前景。

• 学习内容：

  • 研究CPython中的优化机制，如快速路径优化、对象池等
  • 了解字节码优化与编译优化的区别

• 任务：

  • 对比不同Python版本的性能优化，理解其源码差异

第15周：尝试修改和扩展CPython

• 目标：动手修改CPython源码，了解如何做出贡献。

• 学习内容：

  • 按照自己的需求，尝试修改CPython的某个功能
  • 学习CPython贡献流程，提交Pull Request

• 任务：

  • 完成一次简单的CPython源码修改并重新编译
  • 了解如何通过贡献者渠道提交代码

第16周：总结与进阶方向

• 目标：总结学习成果，规划下一步的学习方向。

• 任务：

  • 总结CPython中的重要模块和机制
  • 制定后续进阶学习计划，如参与CPython社区、学习JIT优化等