Python 的动态代码执行机制：exec、eval、compile，这是 Python 运行时最具“元编程”特性的部分之一。

动态代码执行

Python 是动态语言，代码本身可以在运行时被生成、修改、再执行。这类能力主要通过三个内置函数实现：

函数 用途
eval(expr) 计算一个表达式字符串，返回结果
exec(code) 执行一段任意 Python 代码，不返回值
compile(source, filename, mode) 把字符串或 AST 编译成可执行代码对象，可配合 exec/eval 使用

这种机制是 Python 解释器的动态执行接口，常用于：

  • 动态生成代码，如 DSL、模板、动态函数；
  • 交互式解释器 / 脚本执行器；
  • 元编程 / 插件系统；
  • 调试、沙盒执行。

eval()：动态求值表达式

语法

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eval(expression, globals=None, locals=None)

功能

  • 只能执行“单个表达式”字符串，如"2 + 3", "a * b + c" 等；
  • 返回表达式求值的结果；
  • 不支持语句，如 for、if、def 等。

参数说明

  • expression：字符串或编译对象；
  • globals：指定全局命名空间（字典）；
  • locals：指定局部命名空间（字典）。

示例

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x, y = 2, 3
result = eval("x * y + 5")
print(result)  # 11

带命名空间控制：

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env = {'a': 10, 'b': 20}
print(eval("a + b", env))  # 30

exec()：执行任意 Python 代码

语法

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exec(object, globals=None, locals=None)

功能

  • 执行任意 Python 语句或代码块；
  • 没有返回值，也即返回 None；
  • 可定义函数、类、变量等；
  • 常用于运行外部脚本或动态生成代码。

示例

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code = """
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")
"""

exec(code)
greet("Alice")  # 输出 Hello, Alice!

自定义作用域：

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context = {}
exec("x = 10\ny = 20\nresult = x + y", context)
print(context["result"])  # 30

compile()：预编译为代码对象

语法

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compile(source, filename, mode, flags=0, dont_inherit=False, optimize=-1)

参数说明

  • source：字符串或 AST 对象

  • filename：错误提示中显示任意的文件名

  • mode：

    • 'exec' — 执行多行语句（适合 exec）
    • 'eval' — 执行单个表达式（适合 eval）
    • 'single' — 单行交互语句（如 REPL）

示例

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code_str = "x * y + 2"
code_obj = compile(code_str, "<expr>", "eval")
result = eval(code_obj, {"x": 3, "y": 5})
print(result)  # 17

执行语句块：

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code_block = """
for i in range(3):
    print(i)
"""
exec(compile(code_block, "<loop>", "exec"))

三者对比与联系

特性 eval() exec() compile()
可执行内容 单个表达式 任意语句块 编译源码为代码对象
是否返回值 ✅（表达式结果） ❌ -（配合 eval/exec 执行）
可控制作用域 ✅ ✅ ✅（间接）
可重用性 ❌ ❌ ✅（编译后多次执行）
常见用途 表达式求值 动态脚本执行 性能优化 / 安全分析

安全风险问题

动态执行意味着：

任何字符串都可能成为“代码注入攻击”的入口。

例如：

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user_input = "os.system('rm -rf /')"
eval(user_input)  # 危险！

防御策略：

  1. 不直接执行用户输入。

  2. 若必须执行，先过滤 / 限制命名空间：

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    safe_env = {"__builtins__": None, "math": __import__("math")}
    eval("math.sqrt(16)", safe_env)  # ✅ 仅能使用 math

  3. 结合 ast.literal_eval()：
    安全地解析字符串字面量（仅支持 int, list, dict 等）：

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    import ast
    ast.literal_eval("[1, 2, 3]")                            # ✅ 安全
    ast.literal_eval("__import__('os').system('rm -rf /')")  # ❌ 报错

常用实战案例

动态公式引擎

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formula = "price * (1 + tax)"
context = {"price": 100, "tax": 0.15}
result = eval(formula, {}, context)
print(result)  # 115.0

运行配置脚本

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config_code = """
DB_USER = "admin"
DB_PASS = "12345"
"""
config = {}
exec(config_code, config)
print(config["DB_USER"])  # "admin"

编译+缓存表达式

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code = compile("a ** 2 + b", "<calc>", "eval")
for i in range(10):
    print(eval(code, {"a": i, "b": 1}))

性能与实践建议

性能

  • eval / exec 会触发解释器重新编译，成本较高；

  • 对重复执行的动态代码，使用 compile() 缓存结果更高效；

  • 如果可能，优先考虑：

    • 使用函数映射；
    • 使用 getattr() / operator 模块；
    • 用字典替代 if-else 调度。

最佳实践

场景 推荐用法
动态计算表达式 eval(expr, safe_globals)
执行模板代码 / 代码块 exec(source, namespace)
大量重复动态执行 code = compile(...); eval(code)
解析用户输入常量 ast.literal_eval()
调试 / 动态环境 可结合 locals() 与 globals()

总结表

要点 说明
eval() 求值表达式并返回结果
exec() 执行任意代码块，无返回值
compile() 将源码编译为可重用代码对象
安全风险 避免执行不可信输入
性能优化 重复执行时用 compile() 缓存
替代方案 用字典调度、函数映射、ast.literal_eval()