Python:帧对象

在 Python 的执行模型中，用于承载“一次具体执行过程”的，是另一类运行期对象——帧对象（frame object）。如果说代码对象描述了“应用如何执行”，那么帧对象承载的就是该执行在运行期展开时的具体状态。

从对象模型的角度看，帧对象是一类专门用于承载执行期状态的对象。它在调用发生时被创建，在执行结束后被销毁，负责保存局部变量、指令执行位置以及与调用链相关的上下文信息。理解帧对象，是理解函数调用、递归、异常传播、作用域解析乃至调试机制的关键。

一、什么是帧对象

帧对象（frame object）表示一次正在进行或已经发生的代码执行过程。每当一段代码被执行，解释器都会为其创建一个新的帧对象，用于记录该次执行所需的全部运行期状态。

从概念上看，帧对象负责描述：

• 当前正在执行的是哪一段代码（引用代码对象） 

• 局部命名空间与全局命名空间的绑定情况 

• 当前字节码指令执行到的位置 

• 与上层调用者之间的调用关系

帧对象不是：

• 代码对象（帧对象不描述执行结构） 

• 函数对象（帧对象不提供可调用语义） 

• 闭包对象（帧对象并不独立保存被闭包捕获的变量）

在对象模型中，帧对象的核心职责只有一个：承载“一次执行”的全部运行期状态。

二、帧对象的产生：从调用到执行上下文

帧对象并不是在编译阶段产生的，而是在运行期、调用发生时动态创建的。

当解释器执行一段可调用对象时，大致会经历如下过程：

1、确定被调用的函数对象 

2、从函数对象中取得其关联的代码对象 

3、基于代码对象创建新的帧对象 

4、初始化帧对象中的运行期状态 

5、进入字节码解释循环

以最简单的函数调用为例：

def add(a, b):    return a + badd(1, 2)

在执行 add(1, 2) 时：

• add 对应的代码对象并未发生变化 

• 解释器创建了一个新的帧对象 

• 参数 a、b 被写入该帧对象的局部命名空间 

• 指令指针从代码对象的起始位置开始推进

需要强调的是，同一个代码对象，可以在不同时间、不同调用路径下，对应多个不同的帧对象。

三、对象协作：代码对象、函数对象与帧对象

在 Python 的执行模型中，这三类对象分工明确、彼此协作：

• 代码对象：描述“如何执行” 

• 函数对象：提供“可调用入口” 

• 帧对象：承载“正在执行”

这种分层结构保证了执行模型的可重入性与一致性。

1、为什么帧对象必须是独立对象

如果将运行期状态直接存放在函数对象或代码对象中，将会立即破坏以下性质：

• 多次调用的相互独立性 

• 递归调用的正确性 

• 并发或协程切换时的状态隔离

帧对象作为独立的执行对象，则可使得：

• 每一次调用都有独立的执行上下文 

• 同一函数可被安全地重入调用 

• 调用链可以被精确地表示和回溯

从模型上可以概括为：代码对象是“静态蓝本”，帧对象是“动态实例”。

2、递归与多次调用示例

（1）递归示例

def fact(n):    if n <= 1:        return 1    return n * fact(n - 1)

在该递归过程中：

• fact 的代码对象始终只有一个 

• 每一次递归调用都会创建新的帧对象 

• 各帧对象分别保存各自的 n 值与返回位置

正是由于帧对象彼此独立，递归调用才能正确展开并回溯。

（2）多次调用示例

def inc(x):    return x + 1inc(1)     # 2inc(10)    # 11

这里同样体现出：

• 代码结构被复用 

• 执行状态不共享

四、帧对象的核心运行期字段

帧对象内部保存了大量与执行直接相关的信息，其中最关键的包括以下部分。

1、代码对象引用（f_code）

f_code指向当前执行的代码对象。它定义了：

• 字节码指令序列 

• 局部变量布局 

• 作用域与闭包结构

帧对象并不复制这些信息，而是直接引用代码对象。

2、局部命名空间（f_locals）

f_locals 保存当前执行上下文中的局部命名空间。

def f():    a = 1    b = 2    return a + b

在执行过程中，该帧的局部命名空间会动态变化。

需要注意的是，f_locals 是对当前局部变量状态的一种映射表示，其更新时机受解释器控制，并非实时字典。

3、全局命名空间（f_globals）