Python 探针的实现原理


Posted in Python onApril 23, 2016

探针的实现主要涉及以下几个知识点:

sys.meta_path
sitecustomize.py
sys.meta_path

sys.meta_path 这个简单的来说就是可以实现 import hook 的功能,
当执行 import 相关的操作时,会触发 sys.meta_path 列表中定义的对象。
关于 sys.meta_path 更详细的资料请查阅 python 文档中 sys.meta_path 相关内容以及
PEP 0302 。

sys.meta_path 中的对象需要实现一个 find_module 方法,
这个 find_module 方法返回 None 或一个实现了 load_module 方法的对象
(代码可以从 github 上下载 part1) :

import sys
 
class MetaPathFinder:
 
  def find_module(self, fullname, path=None):
    print('find_module {}'.format(fullname))
    return MetaPathLoader()
 
class MetaPathLoader:
 
  def load_module(self, fullname):
    print('load_module {}'.format(fullname))
    sys.modules[fullname] = sys
    return sys
 
sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
 
if __name__ == '__main__':
  import http
  print(http)
  print(http.version_info)

load_module 方法返回一个 module 对象,这个对象就是 import 的 module 对象了。
比如我上面那样就把 http 替换为 sys 这个 module 了。

$ python meta_path1.py
find_module http
load_module http
 
sys.version_info(major=3, minor=5, micro=1, releaselevel='final', serial=0)
通过 sys.meta_path 我们就可以实现 import hook 的功能:
当 import 预定的 module 时,对这个 module 里的对象来个狸猫换太子,
从而实现获取函数或方法的执行时间等探测信息。

上面说到了狸猫换太子,那么怎么对一个对象进行狸猫换太子的操作呢?
对于函数对象,我们可以使用装饰器的方式来替换函数对象(代码可以从 github 上下载 part2) :

import functools
import time
 
def func_wrapper(func):
  @functools.wraps(func)
  def wrapper(*args, **kwargs):
    print('start func')
    start = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end = time.time()
    print('spent {}s'.format(end - start))
    return result
  return wrapper
 
def sleep(n):
  time.sleep(n)
  return n
 
if __name__ == '__main__':
  func = func_wrapper(sleep)
  print(func(3))

执行结果:

$ python func_wrapper.py
start func
spent 3.004966974258423s
3

下面我们来实现一个计算指定模块的指定函数的执行时间的功能(代码可以从 github 上下载 part3) 。

假设我们的模块文件是 hello.py:

import time
 
def sleep(n):
  time.sleep(n)
  return n

我们的 import hook 是 hook.py:

import functools
import importlib
import sys
import time
 
_hook_modules = {'hello'}
 
class MetaPathFinder:
 
  def find_module(self, fullname, path=None):
    print('find_module {}'.format(fullname))
    if fullname in _hook_modules:
      return MetaPathLoader()
 
class MetaPathLoader:
 
  def load_module(self, fullname):
    print('load_module {}'.format(fullname))
    # ``sys.modules`` 中保存的是已经导入过的 module
    if fullname in sys.modules:
      return sys.modules[fullname]
 
    # 先从 sys.meta_path 中删除自定义的 finder
    # 防止下面执行 import_module 的时候再次触发此 finder
    # 从而出现递归调用的问题
    finder = sys.meta_path.pop(0)
    # 导入 module
    module = importlib.import_module(fullname)
 
    module_hook(fullname, module)
 
    sys.meta_path.insert(0, finder)
    return module
 
sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
 
def module_hook(fullname, module):
  if fullname == 'hello':
    module.sleep = func_wrapper(module.sleep)
 
def func_wrapper(func):
  @functools.wraps(func)
  def wrapper(*args, **kwargs):
    print('start func')
    start = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end = time.time()
    print('spent {}s'.format(end - start))
    return result
  return wrapper

测试代码:

>>> import hook
>>> import hello
find_module hello
load_module hello
>>>
>>> hello.sleep(3)
start func
spent 3.0029919147491455s
3
>>>

其实上面的代码已经实现了探针的基本功能。不过有一个问题就是上面的代码需要显示的
执行 import hook 操作才会注册上我们定义的 hook。

那么有没有办法在启动 python 解释器的时候自动执行 import hook 的操作呢?
答案就是可以通过定义 sitecustomize.py 的方式来实现这个功能。

sitecustomize.py
简单的说就是,python 解释器初始化的时候会自动 import PYTHONPATH 下存在的 sitecustomize 和 usercustomize 模块:

实验项目的目录结构如下(代码可以从 github 上下载 part4)

$ tree
.
├── sitecustomize.py
└── usercustomize.py
sitecustomize.py:

$ cat sitecustomize.py
print('this is sitecustomize')
usercustomize.py:

$ cat usercustomize.py
print('this is usercustomize')
把当前目录加到 PYTHONPATH 中,然后看看效果:

$ export PYTHONPATH=.
$ python
this is sitecustomize    <----
this is usercustomize    <----
Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

可以看到确实自动导入了。所以我们可以把之前的探测程序改为支持自动执行 import hook (代码可以从 github 上下载part5) 。

目录结构:

$ tree
.
├── hello.py
├── hook.py
├── sitecustomize.py
sitecustomize.py:

$ cat sitecustomize.py
import hook

结果:

$ export PYTHONPATH=.
$ python
find_module usercustomize
Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
find_module readline
find_module atexit
find_module rlcompleter
>>>
>>> import hello
find_module hello
load_module hello
>>>
>>> hello.sleep(3)
start func
spent 3.005002021789551s
3

不过上面的探测程序其实还有一个问题,那就是需要手动修改 PYTHONPATH 。 用过探针程序的朋友应该会记得, 使用 newrelic 之类的探针只需要执行一条命令就 可以了: newrelic-admin run-program python hello.py 实际上修改PYTHONPATH 的操作是在 newrelic-admin 这个程序里完成的。

下面我们也要来实现一个类似的命令行程序,就叫 agent.py 吧。

agent
还是在上一个程序的基础上修改。先调整一个目录结构,把 hook 操作放到一个单独的目录下, 方便设置 PYTHONPATH后不会有其他的干扰(代码可以从 github 上下载 part6 )。

$ mkdir bootstrap
$ mv hook.py bootstrap/_hook.py
$ touch bootstrap/__init__.py
$ touch agent.py
$ tree
.
├── bootstrap
│  ├── __init__.py
│  ├── _hook.py
│  └── sitecustomize.py
├── hello.py
├── test.py
├── agent.py

bootstrap/sitecustomize.py 的内容修改为:

$ cat bootstrap/sitecustomize.py
import _hook
agent.py 的内容如下:

<span class="kn">import</span> <span class="nn">os</span>
<span class="kn">import</span> <span class="nn">sys</span>
 
<span class="n">current_dir</span> <span class="o">=</span> <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">dirname</span><span class="p">(</span><span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">realpath</span><span class="p">(</span><span class="n">__file__</span><span class="p">))</span>
<span class="n">boot_dir</span> <span class="o">=</span> <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">join</span><span class="p">(</span><span class="n">current_dir</span><span class="p">,</span> <span class="s">'bootstrap'</span><span class="p">)</span>
 
<span class="k">def</span> <span class="nf">main</span><span class="p">():</span>
  <span class="n">args</span> <span class="o">=</span> <span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">argv</span><span class="p">[</span><span class="mi">1</span><span class="p">:]</span>
  <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">environ</span><span class="p">[</span><span class="s">'PYTHONPATH'</span><span class="p">]</span> <span class="o">=</span> <span class="n">boot_dir</span>
  <span class="c"># 执行后面的 python 程序命令</span>
  <span class="c"># sys.executable 是 python 解释器程序的绝对路径 ``which python``</span>
  <span class="c"># >>> sys.executable</span>
  <span class="c"># '/usr/local/var/pyenv/versions/3.5.1/bin/python3.5'</span>
  <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">execl</span><span class="p">(</span><span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">executable</span><span class="p">,</span> <span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">executable</span><span class="p">,</span> <span class="o">*</span><span class="n">args</span><span class="p">)</span>
 
<span class="k">if</span> <span class="n">__name__</span> <span class="o">==</span> <span class="s">'__main__'</span><span class="p">:</span>
  <span class="n">main</span><span class="p">()</span>

test.py 的内容为:

$ cat test.py
import sys
import hello
 
print(sys.argv)
print(hello.sleep(3))

使用方法:

$ python agent.py test.py arg1 arg2
find_module usercustomize
find_module hello
load_module hello
['test.py', 'arg1', 'arg2']
start func
spent 3.005035161972046s
3

至此,我们就实现了一个简单的 python 探针程序。当然,跟实际使用的探针程序相比肯定是有 很大的差距的,这篇文章主要是讲解一下探针背后的实现原理。

如果大家对商用探针程序的具体实现感兴趣的话,可以看一下国外的 New Relic 或国内的 OneAPM, TingYun 等这些 APM 厂商的商用 python 探针的源代码,相信你会发现一些很有趣的事情。

Python 相关文章推荐
常见的在Python中实现单例模式的三种方法
Apr 08 Python
编写Python CGI脚本的教程
Jun 29 Python
详解K-means算法在Python中的实现
Dec 05 Python
Python异常处理操作实例详解
May 10 Python
Django分页查询并返回jsons数据(中文乱码解决方法)
Aug 02 Python
TensorFlow实现模型评估
Sep 07 Python
Python中按值来获取指定的键
Mar 04 Python
python读文件的步骤
Oct 08 Python
python 队列基本定义与使用方法【初始化、赋值、判断等】
Oct 24 Python
python使用pip安装SciPy、SymPy、matplotlib教程
Nov 20 Python
3分钟看懂Python后端必须知道的Django的信号机制
Jul 26 Python
Python中os模块的简单使用及重命名操作
Apr 17 Python
一键搞定python连接mysql驱动有关问题(windows版本)
Apr 23 #Python
Linux 发邮件磁盘空间监控(python)
Apr 23 #Python
web.py 十分钟创建简易博客实现代码
Apr 22 #Python
在windows下快速搭建web.py开发框架方法
Apr 22 #Python
基于python实现的抓取腾讯视频所有电影的爬虫
Apr 22 #Python
Python开发之快速搭建自动回复微信公众号功能
Apr 22 #Python
Django小白教程之Django用户注册与登录
Apr 22 #Python
You might like
php的access操作类
2008/04/09 PHP
微信公众平台消息接口校验与消息接口响应实例
2014/12/23 PHP
细品javascript 寻址,闭包,对象模型和相关问题
2009/04/27 Javascript
跟着JQuery API学Jquery 之二 属性
2010/04/09 Javascript
Javascript面象对象成员、共享成员变量实验
2010/11/19 Javascript
Juqery Html(),append()等方法的Bug解决方法
2010/12/13 Javascript
JavaScript 变量作用域分析
2011/07/04 Javascript
JQuery切换显示的效果实例代码
2013/02/27 Javascript
在父页面调用子页面的JS方法
2013/09/29 Javascript
jQuery中的val()示例应用
2014/02/26 Javascript
jQuery打印图片pdf、txt示例代码
2014/07/22 Javascript
Jquery设置attr的disabled属性控制某行显示或者隐藏
2014/09/25 Javascript
全面解析Bootstrap中Carousel轮播的使用方法
2016/06/13 Javascript
Bootstrap CSS布局之代码
2016/12/17 Javascript
jQuery的三种bind/One/Live/On事件绑定使用方法
2017/02/23 Javascript
vue resource post请求时遇到的坑
2017/10/19 Javascript
微信小程序使用slider设置数据值及switch开关组件功能【附源码下载】
2017/12/09 Javascript
jQuery 实现左右两侧菜单添加、移除功能
2018/01/02 jQuery
vue.js项目nginx部署教程
2018/04/05 Javascript
记一次Vue.js混入mixin的使用(分权限管理页面)
2019/04/17 Javascript
Nodejs使用archiver-zip-encrypted库加密压缩文件时报错(解决方案)
2019/11/18 NodeJs
Python选课系统开发程序
2016/09/02 Python
python使用matplotlib绘制柱状图教程
2017/02/08 Python
Python将DataFrame的某一列作为index的方法
2018/04/08 Python
pygame游戏之旅 添加游戏介绍
2018/11/20 Python
用Python和WordCloud绘制词云的实现方法(内附让字体清晰的秘笈)
2019/01/08 Python
用Python解决x的n次方问题
2019/02/08 Python
Pytest如何使用skip跳过执行测试
2020/08/13 Python
CSS3 旋转立方体问题详解
2020/01/09 HTML / CSS
美国一家全面的在线零售鞋类公司:SHOEBACCA
2017/01/06 全球购物
英国婚礼商城:Wedding Mall
2019/11/02 全球购物
基于Python 函数和方法的区别说明
2021/03/24 Python
汽车专业毕业生自荐信
2013/11/03 职场文书
高三生物教学反思
2014/01/25 职场文书
大学生未来职业生涯规划书
2014/02/15 职场文书
乡镇法制宣传日活动总结
2015/05/05 职场文书