• 实现一个交互式命令行 REPL (Read-Eval-Print Loop)。
• 加载和执行存储在配置文件或数据库中的 Python 代码。
• 实现一个插件系统,动态加载和运行插件代码。
• 执行用户输入的代码（需要非常小心安全风险）。

Python 提供了几个内置函数和模块来实现这个功能，其中最核心和最常用的是 eval() 和 exec()。

下面我将详细介绍这些方法,并提供代码示例和最佳实践。

核心方法：eval() vs exec()

这两个函数功能相似，但用途不同,理解它们的区别至关重要。

使用 eval() 计算表达式

eval() 适合处理简单的、可以求值的代码,它会返回计算结果。

基本用法：

# 一个简单的算术表达式
code_str = "1 + 2 * 3"
result = eval(code_str)
print(f"执行 '{code_str}' 的结果是: {result}")  # 输出: 执行 '1 + 2 * 3' 的结果是: 7
# 使用内置函数
code_str = "len('world')"
result = eval(code_str)
print(f"执行 '{code_str}' 的结果是: {result}")  # 输出: 执行 'len('world')' 的结果是: 5

使用 globals 和 locals 提供命名空间：

这是一个非常重要的安全性和功能性实践,你不应该让执行的代码随意访问你主程序的全局和局部变量。

• globals: 提供一个全局命名空间（字典）。
• locals: 提供一个局部命名空间（字典）。

示例：让代码访问特定的变量

# 定义一些变量
x = 10
y = 20
# 创建一个受限的全局命名空间，只包含 'x'
# 注意：我们故意不把 'y' 放进去
safe_globals = {'x': x, '__builtins__': None} # __builtins__ 可以用来限制内置函数
# 创建一个代码字符串，它试图使用 x 和 y
code_str = "x * 2 + y"
# 尝试执行
try:
    result = eval(code_str, safe_globals)
except NameError as e:
    print(f"执行失败: {e}") # 输出: 执行失败: name 'y' is not defined
# 如果我们想让它能访问 y，就需要把它也加入命名空间
safe_globals_with_y = {'x': x, 'y': y, '__builtins__': None}
result = eval(code_str, safe_globals_with_y)
print(f"执行 '{code_str}' 的结果是: {result}") # 输出: 执行 'x * 2 + y' 的结果是: 40

使用 exec() 执行语句块

exec() 用于执行更复杂的 Python 代码，这些代码通常不返回值，或者执行一系列操作（如赋值、循环、定义函数等）。

基本用法：

# 执行一个赋值语句
code_str = "message = 'Hello from exec()'"
exec(code_str)
# 现在变量 'message' 已经被创建
print(message)  # 输出: Hello from exec()
# 执行一个包含循环的代码块
code_str = """
for i in range(3):
    print(f"Loop iteration {i}")
"""
exec(code_str)
# 输出:
# Loop iteration 0
# Loop iteration 1
# Loop iteration 2

使用 globals 和 locals 捕获变量：

这是 exec() 最强大的功能之一，你可以让执行的代码块在指定的命名空间中创建或修改变量,然后你可以在主程序中访问这些变量。

# 准备一个空的命名空间
my_namespace = {}
# 执行一段代码，它会在 my_namespace 中创建变量
code_str = "a = 100; b = 'executed';"
exec(code_str, my_namespace) # 将 my_namespace 作为全局和局部命名空间
# 检查 my_namespace 的内容
print("my_namespace 的内容:", my_namespace)
# 输出: my_namespace 的内容: {'a': 100, 'b': 'executed'}
# 现在可以从 my_namespace 中获取变量
print(f"变量 a 的值是: {my_namespace['a']}")
print(f"变量 b 的值是: {my_namespace['b']}")

更高级的用法：compile()

对于需要多次执行的代码，使用 compile() 函数将其预编译成一个代码对象，然后用 exec() 或 eval() 执行,效率会更高。

compile(source, filename, mode)

• source: 字符串形式的代码。
• filename: 代码来源的文件名（用于错误信息），如果代码不是来自文件，可以传入 '<string>'。
• mode: 模式，决定了如何编译代码。
  • 'exec': 用于包含语句序列的代码块（如 exec()）。
  • 'eval': 用于单个表达式（如 eval()）。
  • 'single': 用于单个交互式语句（例如在 REPL 中输入的一行代码）。

示例：

code_str = """
def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"
result = greet("Alice")
"""
# 编译代码
code_object = compile(code_str, "<string>", "exec")
# 准备命名空间
namespace = {}
# 执行编译后的代码对象
exec(code_object, namespace)
# 访问在命名空间中创建的变量和函数
print(namespace['result'])  # 输出: Hello, Alice!
print(namespace['greet']("Bob")) # 输出: Hello, Bob!

安全警告 ⚠️

绝对不要使用 eval() 或 exec() 来执行不可信的代码，例如来自互联网用户的输入！

这些函数会执行任何有效的 Python 代码,这可能导致严重的安全漏洞，

• 代码注入攻击: 攻击者可以输入恶意代码来删除你的文件、窃取数据或控制系统。

  # 危险示例！
  user_input = input("请输入一个数学表达式: ")
  # 如果用户输入: __import__('os').system('rm -rf /')
  # 那么你的硬盘可能会被清空！
  result = eval(user_input)

如何安全地使用？

1. 严格限制命名空间: 这是最重要的防御手段,只提供给代码执行所需的最小权限。

   • 将 globals 设置为一个只包含你允许访问的变量的字典。
   • 将 __builtins__ 设置为 None 或一个安全的字典，可以完全禁用或限制所有内置函数（如 open, __import__, exec 等）。

   # 相对安全的 eval 示例
   allowed_names = {'x': 50, 'y': 10, 'sqrt': math.sqrt}
   code_str = "sqrt(x**2 + y**2)"
   # 创建一个安全的全局命名空间
   safe_globals = {"__builtins__": None}
   safe_globals.update(allowed_names)
   result = eval(code_str, safe_globals)
   print(result) # 输出: 51.0

2. 使用 ast.literal_eval(): 如果你只需要处理像字符串、数字、元组、列表、字典、布尔值和 None 这样的字面量，ast.literal_eval() 是最安全的选择，它被设计为只解析数据结构,而不执行任何代码。

   import ast
   # 安全
   data_str = "[1, 2, 'three', {'key': 'value'}]"
   data = ast.literal_eval(data_str)
   print(data) # 输出: [1, 2, 'three', {'key': 'value'}]
   # 危险，literal_eval 会拒绝执行
   malicious_str = "__import__('os').system('ls')"
   try:
       ast.literal_eval(malicious_str)
   except ValueError as e:
       print(f"安全拦截: {e}") # 输出: 安全拦截: malformed node or string

最佳实践：

• 首选 ast.literal_eval()：如果你的目标是解析数据结构,而不是执行代码。
• 严格限制命名空间：如果必须使用 eval() 或 exec()，务必提供受控的 globals 和 locals 字典，并禁用 __builtins__。
• 永远不要信任输入：假设所有来自外部的输入都是恶意的,并采取相应的预防措施。