Python中利用sys.settrace精确获取函数调用前的代码行号

在python中进行代码调试或日志记录时，我们常常需要获取特定代码行的信息。标准库中的inspect模块，例如inspect.currentframe().f_back.f_lineno，能够提供当前函数调用者的行号。然而，在某些特定场景下，我们可能需要获取的不是函数调用本身的行号，而是调用该函数之前，最后一条被执行的语句的行号。例如，在以下代码结构中：

Line 1: if True:
Line 2:     print("Expecting the line no = 2")
Line 3: else:
Line 4:     pass
Line 5: log() # -> 期望获取的是第2行，而不是第5行

如果直接使用inspect.currentframe().f_back.f_lineno，log()函数会返回其自身的调用行号（第5行）。为了获取第2行这样的“前瞻性”行号，我们需要一种更底层的机制来追踪代码的执行流。

利用 sys.settrace 实现前瞻性行号追踪

Python的sys模块提供了一个强大的调试钩子：sys.settrace。这个函数允许我们注册一个全局的追踪函数，该函数会在Python解释器执行到每一行代码、调用函数、返回函数或发生异常时被调用。通过巧妙地利用这一特性，我们可以构建一个机制来记录最近执行的行号。

核心原理

1. 注册追踪函数：使用sys.settrace()设置一个自定义函数作为全局追踪器。
2. 事件过滤：追踪函数会接收到多种事件类型（如'line', 'call', 'return', 'exception'）。我们主要关注'line'事件，因为它表示解释器即将执行新的一行代码。
3. 行号记录：在'line'事件发生时，获取当前帧的行号（frame.f_lineno）。
4. 历史维护：使用collections.deque（双端队列）来存储最近执行的行号。将deque的maxlen设置为2，可以确保它只保留最近的两条记录。这样，队列的第一个元素始终是倒数第二条执行的行号，而第二个元素是最近执行的行号。
5. 避免内部污染：至关重要的一点是，当追踪函数进入我们想要获取其前一行行号的目标函数（例如示例中的log()函数）内部时，需要暂停或忽略对行号的记录，以防止log()函数内部的行号污染队列。

示例代码

以下是一个完整的实现，演示如何通过sys.settrace获取log()函数调用前的行号：

import sys
from collections import deque

class Tracer:
    """
    一个用于追踪Python代码执行行号的类。
    """
    def __init__(self):
        # 使用deque存储最近的两个行号，maxlen=2确保只保留前两个
        self.linenos = deque(maxlen=2)
        # log方法的代码对象，用于在trace函数中排除自身
        self.log_code = None 

    def trace(self, frame, event, arg):
        """
        注册到sys.settrace的回调函数。
        当Python解释器执行到新的代码行时，此函数会被调用。
        """
        # 延迟初始化log_code，因为在Tracer实例化时log方法可能还未定义
        if self.log_code is None:
            self.log_code = self.log.__code__

        # 仅处理'line'事件，即代码执行到新行
        # 并且确保当前执行的帧不是log()函数内部的帧，避免记录log()自身的行号
        if event == 'line' and frame.f_code is not self.log_code:
            self.linenos.append(frame.f_lineno) # 记录当前行号

        # 返回自身，确保trace函数持续追踪后续的帧
        return self.trace

    def log(self):
        """
        目标函数，我们希望获取调用此函数前一行的行号。
        """
        # 当log()被调用时，deque的第一个元素就是我们需要的行号
        if self.linenos: # 确保队列不为空
            print(f"Log function called. Previous line number: {self.linenos[0]}")
        else:
            print("No previous line number recorded.")

# 实例化Tracer
tracer = Tracer()

# 设置全局追踪函数。
# sys.settrace会影响所有新创建的帧。
sys.settrace(tracer.trace)

# 另外，为了让当前帧（即运行这段代码的脚本本身）也能立即开始追踪，
# 可以设置当前帧的f_trace属性。
# 这确保了在sys.settrace生效之前（针对新函数调用），当前作用域的行号也能被捕获。
sys._getframe().f_trace = tracer.trace

# 模拟一些代码执行
print("Executing line 45")
if True:
    assert True # 期望获取的行号
else:
    pass
print("Executing line 50")
tracer.log() # 调用目标函数
print("Executing line 52")

# 停止追踪（可选，但推荐在不再需要时关闭以避免性能开销）
sys.settrace(None)
sys._getframe().f_trace = None

运行上述代码，输出将是：

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Executing line 45
Executing line 50
Log function called. Previous line number: 47
Executing line 52

这里的47是assert True语句所在的行号，这正是我们期望的结果。

注意事项与应用场景

1. 性能开销：sys.settrace是一个非常强大的调试工具，但它会显著增加程序的运行开销，因为它需要在每一行代码执行时调用回调函数。因此，它通常不适用于生产环境中的常规日志记录，而更适合于开发、调试、性能分析或特定问题的诊断。
2. deque(maxlen=2) 的作用：collections.deque是一个高效的双端队列。设置maxlen=2是此方案的关键，它确保队列中最多只有两个元素。当新元素被添加时，如果队列已满，最老的元素会自动从队列的另一端移除，从而始终保持最近的两条行号记录。
3. 排除自身代码：frame.f_code is not self.log.__code__这一条件至关重要。它确保了当追踪函数进入log()函数内部执行时，log()函数自身的行号不会被记录到linenos队列中，从而保证了linenos[0]始终是log()函数调用前的最后一条执行语句的行号。
4. sys._getframe().f_trace 与 sys.settrace：
   • sys.settrace(func)：设置一个全局的追踪函数。当新的函数被调用时，这个追踪函数会被激活。它影响的是后续创建的帧。
   • sys._getframe().f_trace = func：直接设置当前正在执行的帧的追踪函数。这使得追踪能够立即在当前作用域内生效，而不需要等待新的函数调用。在示例中同时使用它们，是为了确保从脚本开始执行时就能捕获到行号。
5. 适用场景：
   • 高级调试：当标准断点或堆栈跟踪不足以提供所需上下文时。
   • 自定义分析工具：构建需要了解精确代码执行路径的工具。
   • 特定日志记录：在某些复杂的业务逻辑中，需要记录触发特定事件前精确的代码位置。

总结

通过sys.settrace机制，我们可以获得对Python代码执行流的细粒度控制。结合collections.deque的特性，我们能够高效地维护最近执行的行号历史，从而实现获取函数调用前一个语句行号的需求。尽管存在一定的性能开销，但这种技术为复杂的调试和分析场景提供了强大的能力，极大地扩展了Python在运行时代码检查方面的可能性。在实际应用中，务必根据具体需求权衡其性能影响。

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