什么是全局解释器锁 (GIL)？

自20世纪80年代末，Guido Van Rossum在荷兰阿姆斯特丹东部的一个科技园区开始开发Python编程语言，它最初被设计为一种单线程的解释型语言。这到底是什么意思呢？

你可能会听说，编程语言分为解释型和编译型两种。那么Python属于哪一类？答案是：它属于两者。

实际上，你很少遇到完全由解释器直接从源代码进行解释的编程语言。对于解释型语言而言，可读的源代码通常会被转换成一种中间形式，也就是字节码。然后，解释器会逐条读取这些字节码并执行指令。

在这里^[1]，“解释器”通常被称作“虚拟机”，尤其是在Java等其他语言中，它们和Python一样，都是通过虚拟机来处理字节码。在Java等语言中，更常见的做法是直接分发编译后的字节码，而Python应用则通常以源代码的形式分发（尽管现在，包也经常以wheel和sdist的形式部署）。

这种意义上的虚拟机在许多意想不到的地方都会出现，比如在PostScript格式中（PDF文件本质上就是编译后的PostScript），以及在字体渲染过程中。

如果你在自己的Python项目中看到过很多*.pyc文件，这些就是你的应用程序编译后的字节码。你可以像探索Java类文件一样，对这些pyc文件进行反编译和研究。

当们执行Python程序时，Python的执行程序会生成一系列指令流，即字节码，然后解释器会逐一读取并执行这些指令。

如果你启动了多个线程，它们将共享相同的内存空间（局部变量除外），因此它们都能访问和修改相同的数据对象。每个线程都有自己独立的栈和指令指针来执行字节码。

如果多个线程同时尝试访问或修改同一个对象，比如一个线程在向字典中添加内容，而另一个线程在读取字典，这时你有两个选择：

1. 让字典和其他所有对象都实现线程安全，这需要付出很多努力，并且对于单线程应用来说会降低效率；
2. 创建一个全局互斥锁（通常称为mutex），这样任何时候都只有一个线程能够执行字节码。

后者就是们所说的全局解释器锁（GIL）。而前者是Python开发者提到的“自由线程”模式。

另外值得一提的是，GIL简化了垃圾回收的过程，使其变得更快速。由于垃圾回收本身是一个复杂的话题，们在这里不深入讨论，但简单来说，Python会跟踪一个对象被引用的次数，当引用计数降到零时，Python就知道可以安全地删除这个对象了。如果多个线程同时创建和删除对不同对象的引用，可能会导致竞态条件和内存损坏，因此任何自由线程的版本都需要为所有对象使用原子计数的引用。

GIL还简化了Python的C扩展开发（例如使用Cython），因为你可以在开发时做一些关于线程安全的假设，这会让你的工作更加轻松。

为什么会有全局解释器锁？

尽管Python近年来变得非常流行，但它并不是一门新语言——它在20世纪80年代末诞生，首次发布于1991年2月20日（比稍微早一点）。在那个时代，计算机的形态与现在大相径庭。大多数程序都是单线程的，单个CPU核心的性能正以摩尔定律所描述的那样呈指数级增长。在那种环境下，对于大多数不使用多核的程序来说，牺牲单线程性能以换取线程安全是没有必要的。

而且，实现线程安全显然需要付出很多努力。

这并不是说你不能在Python中利用多核CPU。只是说，你不能通过线程来实现，而必须通过多个进程（例如使用multiprocessing模块）。

多进程与多线程的主要区别在于，每个进程都有自己的Python解释器和独立的内存空间。这意味着多个进程无法访问内存中的相同对象，而必须使用特殊的机制和通信方式来共享数据（可以参考“在进程间共享状态”和multiprocessing.Queue）。

值得一提的是，与多线程相比，使用多进程会有更大的开销，而且在数据共享上也更加困难。

然而，使用多线程并不总是像人们通常认为的那样糟糕。如果Python正在进行I/O操作，比如读取文件或发起网络请求，它会释放GIL，让其他线程得以运行。这意味着，如果你的程序主要是I/O密集型的，那么多线程通常会和多进程一样高效。只有在你的程序是CPU密集型的，GIL才会成为一个显著的问题。

为什么想要去掉全局解释器锁？

虽然移除GIL的呼声已经存在多年，但主要阻碍并非因为工程量大，而是因为这可能会让单线程程序的性能受损。

如今，电脑的单个CPU核心的性能提升速度已经放缓（尽管像苹果硅芯片这样的定制处理器架构取得了巨大进步），而核心数却在不断增加。这就意味着程序越来越需要利用多核的优势，而Python在多线程利用上的不足也日益凸显。

到了2021年，Sam Gross开发了一个无GIL的原型，这激发了Python决策委员会提出并投票通过了PEP 703——将CPython中的GIL变为可选。投票结果是肯定的，决策委员会决定接受这个提案，并计划分三个阶段逐步实施：

第一阶段：自由线程模式作为一个实验性功能，不是默认启用的。 第二阶段：自由线程模式得到官方支持，但不是默认选项。 第三阶段：自由线程模式成为默认设置。 从讨论中们可以看出，大家普遍不希望Python分裂成两个版本——一个有GIL，一个没有——而是希望在自由线程模式成为默认后，GIL最终被完全移除，只留下自由线程模式。

在关于GIL的讨论进行的同时，还有一个名为“更快的CPython”的项目在并行推进。这个项目得到了微软的资助，由Mark Shannon和Python之父Guido van Rossum领导。

这个团队的努力已经取得了显著的成果，尤其是在Python 3.11版本中，性能相比3.10有了大幅提升。

有了社区和决策委员会的支持，多核处理器的普及，以及“更快的CPython”项目的成功，现在正是开始实施GIL可选化计划的第一阶段的好时机。

即时编译器（JIT，Just-in-Time）

在这个Python新版本中，除了全局解释器锁（GIL）的重大变革外，还引入了一个实验性的即时编译器（JIT）。

即时编译器（JIT）是一种编译技术，它在执行前即时生成机器代码，与传统的提前编译（AOT）方式，如C语言的gcc或clang编译器不同。

之前们已经讨论过字节码和解释器。关键点是，在Python 3.13之前，解释器会逐条处理字节码，将其转换成机器代码后再执行。而现在，有了JIT编译器，字节码可以一次性转换成机器代码，并在需要时更新，不必每次都重新解释。

需要强调的是，Python 3.13中引入的这种即时编译器是一种“复制和修补”类型的JIT。这是一种2021年新提出的概念，其核心思想是使用一系列预设的模板——JIT编译器会寻找匹配这些模板的字节码，并用预设的机器代码进行替换。

传统的JIT编译器在功能上要强大得多，同时对内存的需求也更大，尤其是与Java或C#这类重度使用JIT编译的语言相比。（这也是Java程序占用较多内存的原因之一。）

JIT编译器的美妙之处在于它们可以在代码运行过程中进行适应。例如，JIT编译器会追踪代码的“热度”，并根据代码的执行频率进行增量优化，甚至可以根据程序的实际运行情况来指导优化过程（类似于AOT编译器中的性能分析优化）。这意味着JIT编译器不会在只运行一次的代码上浪费时间优化，而是对频繁执行的代码部分进行重点优化。

目前，Python 3.13中的JIT编译器还比较简单，不会进行过于复杂的操作，但它为Python性能的未来发展带来了极大的期待。

JIT编译器将带来哪些改变？

在短期内，JIT编译器的加入可能不会影响你编写或执行Python代码的方式。但它是Python解释器内部工作机制的一个激动人心的变化，这可能会在未来显著提升Python的性能。

具体来说，这为逐步的性能改进打开了大门，这些改进可能会逐渐提升Python的性能，使其与其它编程语言更具有竞争力。尽管如此，由于目前仍处于初期阶段，复制和修补的JIT技术还很新且轻量级，因此在们开始从JIT编译器中获得显著的性能提升之前，还需要进行更多的重大改进。

如何尝试 JIT？

JIT 编译器在 3.13 中是“实验性”的，并且没有提供开箱即用的支持（至少当使用 pyenv 下载 3.13.0rc2 时）。您可以通过执行以下操作来启用实验性 JIT 支持：

$ PYTHON_CONFIGURE_OPTS="--enable-experimental-jit" pyenv install 3.13-dev
python-build: use openssl@3 from homebrew
python-build: use readline from homebrew
Cloning https://github.com/python/cpython...
Installing Python-3.13-dev...
python-build: use tcl-tk from homebrew
python-build: use readline from homebrew
python-build: use ncurses from homebrew
python-build: use zlib from xcode sdk
Installed Python-3.13-dev to /Users/drew.silcock/.pyenv/versions/3.13-dev
$ python -c 'import sysconfig;print("JIT enabled 🚀" if "-D_Py_JIT" in sysconfig.get_config_var("PY_CORE_CFLAGS") else "JIT disabled 😒")'
JIT enabled 🚀

你可以在PEP 744的讨论页面上找到一些额外的配置选项（比如，要启用JIT编译器，需要在程序运行时加上 -X jit=1 参数等）。

这个测试只能确认JIT是否在编译时被启用，而不能判断它当前是否正在工作状态（例如，是否在运行时被关闭）。虽然可以在程序运行时检查JIT是否启用，但这稍微复杂一些。这里有一个脚本可以帮助你弄清楚这一点（来源于PEP 744的讨论页面）：

import _opcode
import types


def is_jitted(f: types.FunctionType) -> bool:
    for i in range(0, len(f.__code__.co_code), 2):
        try:
            _opcode.get_executor(f.__code__, i)
        except RuntimeError:
            # This isn't a JIT build:
            return False
        except ValueError:
            # No executor found:
            continue
        return True
    return False


def fibonacci(n):
    a, b = 0, 1
    for _ in range(n):
        a, b = b, a + b
    return a


def main():
    fibonacci(100)
    if is_jitted(fibonacci):
        print("JIT enabled 🚀")
    else:
        print("Doesn't look like the JIT is enabled 🥱")



if __name__ == "__main__":
    main()

在PEP 744的讨论中，有人提到了PYTHON_JIT=0/1和-X jit=0/1这两种设置方式——测试后发现-X命令行选项似乎并没有什么效果，但是设置环境变量似乎能够达到预期的效果。

$ python is-jit.py
JIT enabled 🚀
$ PYTHON_JIT=0 python is-jit.py
Doesn't look like the JIT is enabled 🥱

总结

Python 3.13 版本带来了一些激动人心的全新概念和功能，这对 Python 的运行时环境来说是一个巨大的进步。虽然这些更新可能不会立即改变你编写和执行 Python 代码的方式，但可以预见，随着自由线程和即时编译器（JIT）技术的不断成熟和普及，它们将在未来几个月甚至几年内，逐渐提升 Python 代码的性能，尤其是对那些需要大量 CPU 计算的任务。