Python之父：明年让Python快2倍

博雯 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

5月中旬刚刚结束的Pycon US 2021上，Python之父Guido van Rossum提出要在未来四年内将CPython速度提升5倍。

而这一“Shannon计划”的参与者除了Guido本人之外，还有任职微软的CPython核心开发人员Eric Snow，以及Semmle的研究工程师Mark Shannon。

但在此之前，Guido可并不认为提升CPython的速度有多关键，因为“有其他方法可以获得更好的性能”，比如JIT编译的PyPy，或使用C语言编写扩展。

为什么要加速？

Python真的慢吗？

不见得，开发效率和执行速度本就难以兼得。

而且发展到今天，Python已经是一个胶水语言的定位，主要用来快速构建系统的逻辑控制流，再把对性能要求高的部分丢给C/C++来实现。

不过如果只看标准版的语言实现本身的话……它的性能确实不怎么样。

动态语言的特性决定了Python会在C语言代码运行（runtime）上花费大量的时间，且难以使用JIT（Just-In-Time）进行优化。

在接受英国技术新闻网站The Register的采访时，对于“为什么开始关注CPython性能？”的问题，Shannon表示：

过去几年里，Python在机器学习领域的使用率大大提升，可用资源也越来越多。这意味着我们可以不用担心破坏其可靠性，而是专注在性能上。

并且，Shannon之前参与的HotPy项目中所开发的解释器，比目前CPython解释器的纯Python代码快三倍。这证明了对CPython优化的可行性。

而在去年10月份的时候，耐不住退休寂寞的Guido又加入了微软：

再加上疫情的家里蹲buff，拥有了更多时间的大佬们一拍即合，决定Make Python Great Again。

加速之前的挑战

Shannon坦言，向下兼容是加速Python的最大挑战。

其实不仅是对Python，90年代末libc的那次不兼容更新，直接导致所有应用程序都要重编……

而现在已经凉凉的Pyston，官方文章里提到的Dropbox放弃Pyston项目的几大因素中，第一个也是：

这就是所有既试图兼容CPython，又想大幅提升性能的Python都会遇到的严峻问题。

因为Python的执行类似于HTML渲染：更多是对运行时应如何执行C库的描述，而非单步执行命令。

所以，Python性能提升的源头来自于这些C扩展模块。而CPython又有着超过400k的loc，这意味着要从底层去做优化是一项非常庞大的工程。

特别是对于过于动态的Python语言来说，语言的语义对优化的影响就更大了。

而现在加速的过程中，像是CPython的工具、调试器、配置文件，NumPy包，以及Cython这样的编译器，又会有多少涉及到CPython内部和底层的行为？

因此Shannon表示：

要改变是困难的……与CPython用户间的隐形协议并没有很好地定义什么能改，什么不能改。

可能是五年前从Python2.x迁移到3的痛苦经历实在是有些刻骨铭心，Guido专门发推表示这次的迁移会更加平和。

而他也在Python峰会中承诺：不破坏stable ABI兼容性；不破坏limited API兼容性；不破坏或减缓extreme cases。

“总之，代码的可维护性才是第一要务。”

Python的5倍速之路

按照已在GitHub上发布的faster-cpython，Shannon计划具体分为四个阶段：

Python 3.10

预计在今年10月发布，主要添加一个自适应、专业化的解释器（interpreter）。

解释器将不再遇运行时生成代码，而是利用程序中的类型稳定性，在执行过程中适应类型和数值。

Python 3.11

Guido提出要在3.11版本实现至少2倍的提速，为此，他已经和几位Python开发人员提出了一份增强功能的提案PEP 659。

这一提案中表示要增加适应性的字节码解释器，并且实施更有效的异常处理。

除此之外，还提出了优化帧堆栈、改变函数调用的方式、增加优化以加快启动时间，以及修改 .pyc 字节码缓存文件格式等工作。

Python 3.12

这一阶段使用针对小区域的JIT解释器，在运行代码时简单、快速地对小区域的专门代码进行编译。

Python 3.13

同样在代码运行时对扩展区域进行编译，增强编译器，以完成5倍的超级加速。

Guido表示此次围绕性能展开的 Python 变更，将主要服务于运行CPU密集型纯Python代码的开发者，以及内置Python网站的用户。

而在C语言代码（如 NumPy和TensorFlow）、I/O 绑定代码、多线程代码以及算法代码上，提升效果将会比较有限。

微软回馈Python

其实，微软长期以来一直以多种方式为Python项目提供助力，包括在Azure云AI服务教程里发布免费的Python课程，以及通过VS Code Python扩展在Win10及以上版本支持Python。

自 2006 年起，微软还成为了Python软件基金会（PSF）的赞助商，并在今年出资15 万美元进行资助。

目前已有五位Python开发者社区的核心人员在微软任职，包括去年年底加入的Python之父，和这次Shannon计划里的三人之一Eric Snow。

Guido也在这次峰会里特地cue了一下微软，提出微软资助了一支小型Python团队“负责语言解释层面的性能改进工作”，以使他能携手微软同事持续对Python进行开发。

当然，对于3.11版本的短期目标，Guido还是在ppt中给自己兜了个底。

△“乐观一点，好奇一点总没错”

而对于那个四年五倍速的最终目标，Guido则表示“我们必须保持旺盛的创造力。”

参考链接：
[1]https://www.theregister.com/2021/05/19/faster_python_mark_shannon_author/
[2]https://pyfound.blogspot.com/2021/05/the-2021-python-language-summit-pep-654.html
[3]https://www.python.org/dev/peps/pep-0654/

Python version 3.11.0 alpha 0：
https://github.com/faster-cpython/ideas
“A faster CPython”计划简介：
https://github.com/markshannon/faster-cpython