5月中旬剛剛結(jié)束的Pycon US 2021上，Python之父Guido van Rossum提出要在未來(lái)四年內(nèi)將CPython速度提升5倍。

而這一“Shannon計(jì)劃”的參與者除了Guido本人之外，還有任職微軟的CPython核心開(kāi)發(fā)人員Eric Snow，以及Semmle的研究工程師Mark Shannon。

但在此之前，Guido可并不認(rèn)為提升CPython的速度有多關(guān)鍵，因?yàn)?ldquo;有其他方法可以獲得更好的性能”，比如JIT編譯的PyPy，或使用C語(yǔ)言編寫(xiě)擴(kuò)展。

為什么要加速？

Python真的慢嗎？

不見(jiàn)得，開(kāi)發(fā)效率和執(zhí)行速度本就難以兼得。

而且發(fā)展到今天，Python已經(jīng)是一個(gè)膠水語(yǔ)言的定位，主要用來(lái)快速構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯控制流，再把對(duì)性能要求高的部分丟給C/C++來(lái)實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)如果只看標(biāo)準(zhǔn)版的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)本身的話(huà)……它的性能確實(shí)不怎么樣。

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動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的特性決定了Python會(huì)在C語(yǔ)言代碼運(yùn)行（runtime）上花費(fèi)大量的時(shí)間，且難以使用JIT（Just-In-Time）進(jìn)行優(yōu)化。

在接受英國(guó)技術(shù)新聞網(wǎng)站The Register的采訪時(shí)，對(duì)于“為什么開(kāi)始關(guān)注CPython性能？”的問(wèn)題，Shannon表示：

    過(guò)去幾年里，Python在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的使用率大大提升，可用資源也越來(lái)越多。這意味著我們可以不用擔(dān)心破壞其可靠性，而是專(zhuān)注在性能上。

并且，Shannon之前參與的HotPy項(xiàng)目中所開(kāi)發(fā)的解釋器，比目前CPython解釋器的純Python代碼快三倍。這證明了對(duì)CPython優(yōu)化的可行性。

而在去年10月份的時(shí)候，耐不住退休寂寞的Guido又加入了微軟：

再加上疫情的家里蹲buff，擁有了更多時(shí)間的大佬們一拍即合，決定Make Python Great Again。

加速之前的挑戰(zhàn)

Shannon坦言，向下兼容是加速Python的最大挑戰(zhàn)。

其實(shí)不僅是對(duì)Python，90年代末libc的那次不兼容更新，直接導(dǎo)致所有應(yīng)用程序都要重編……

而現(xiàn)在已經(jīng)涼涼的Pyston，官方文章里提到的Dropbox放棄Pyston項(xiàng)目的幾大因素中，第一個(gè)也是：

這就是所有既試圖兼容CPython，又想大幅提升性能的Python都會(huì)遇到的嚴(yán)峻問(wèn)題。

因?yàn)镻ython的執(zhí)行類(lèi)似于HTML渲染：更多是對(duì)運(yùn)行時(shí)應(yīng)如何執(zhí)行C庫(kù)的描述，而非單步執(zhí)行命令。

所以，Python性能提升的源頭來(lái)自于這些C擴(kuò)展模塊。而CPython又有著超過(guò)400k的loc，這意味著要從底層去做優(yōu)化是一項(xiàng)非常龐大的工程。

特別是對(duì)于過(guò)于動(dòng)態(tài)的Python語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，語(yǔ)言的語(yǔ)義對(duì)優(yōu)化的影響就更大了。

而現(xiàn)在加速的過(guò)程中，像是CPython的工具、調(diào)試器、配置文件，NumPy包，以及Cython這樣的編譯器，又會(huì)有多少涉及到CPython內(nèi)部和底層的行為？

因此Shannon表示：

要改變是困難的……與CPython用戶(hù)間的隱形協(xié)議并沒(méi)有很好地定義什么能改，什么不能改。

可能是五年前從Python2.x遷移到3的痛苦經(jīng)歷實(shí)在是有些刻骨銘心，Guido專(zhuān)門(mén)發(fā)推表示這次的遷移會(huì)更加平和。 

而他也在Python峰會(huì)中承諾：不破壞stable ABI兼容性；不破壞limited API兼容性；不破壞或減緩extreme cases。

“總之，代碼的可維護(hù)性才是第一要?jiǎng)?wù)。”

Python的5倍速之路

按照已在GitHub上發(fā)布的faster-cpython，Shannon計(jì)劃具體分為四個(gè)階段：

Python 3.10

預(yù)計(jì)在今年10月發(fā)布，主要添加一個(gè)自適應(yīng)、專(zhuān)業(yè)化的解釋器（interpreter）。

解釋器將不再遇運(yùn)行時(shí)生成代碼，而是利用程序中的類(lèi)型穩(wěn)定性，在執(zhí)行過(guò)程中適應(yīng)類(lèi)型和數(shù)值。

Python 3.11

Guido提出要在3.11版本實(shí)現(xiàn)至少2倍的提速，為此，他已經(jīng)和幾位Python開(kāi)發(fā)人員提出了一份增強(qiáng)功能的提案PEP 659。

這一提案中表示要增加適應(yīng)性的字節(jié)碼解釋器，并且實(shí)施更有效的異常處理。

除此之外，還提出了優(yōu)化幀堆棧、改變函數(shù)調(diào)用的方式、增加優(yōu)化以加快啟動(dòng)時(shí)間，以及修改 .pyc 字節(jié)碼緩存文件格式等工作。

Python 3.12

這一階段使用針對(duì)小區(qū)域的JIT解釋器，在運(yùn)行代碼時(shí)簡(jiǎn)單、快速地對(duì)小區(qū)域的專(zhuān)門(mén)代碼進(jìn)行編譯。

Python 3.13

同樣在代碼運(yùn)行時(shí)對(duì)擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行編譯，增強(qiáng)編譯器，以完成5倍的超級(jí)加速。

Guido表示此次圍繞性能展開(kāi)的 Python 變更，將主要服務(wù)于運(yùn)行CPU密集型純Python代碼的開(kāi)發(fā)者，以及內(nèi)置Python網(wǎng)站的用戶(hù)。

而在C語(yǔ)言代碼（如 NumPy和TensorFlow）、I/O 綁定代碼、多線程代碼以及算法代碼上，提升效果將會(huì)比較有限。

微軟回饋Python

其實(shí)，微軟長(zhǎng)期以來(lái)一直以多種方式為Python項(xiàng)目提供助力，包括在Azure云AI服務(wù)教程里發(fā)布免費(fèi)的Python課程，以及通過(guò)VS Code Python擴(kuò)展在Win10及以上版本支持Python。

自 2006 年起，微軟還成為了Python軟件基金會(huì)（PSF）的贊助商，并在今年出資15 萬(wàn)美元進(jìn)行資助。

目前已有五位Python開(kāi)發(fā)者社區(qū)的核心人員在微軟任職，包括去年年底加入的Python之父，和這次Shannon計(jì)劃里的三人之一Eric Snow。

Guido也在這次峰會(huì)里特地cue了一下微軟，提出微軟資助了一支小型Python團(tuán)隊(duì)“負(fù)責(zé)語(yǔ)言解釋層面的性能改進(jìn)工作”，以使他能攜手微軟同事持續(xù)對(duì)Python進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

當(dāng)然，對(duì)于3.11版本的短期目標(biāo)，Guido還是在ppt中給自己兜了個(gè)底。

△“樂(lè)觀一點(diǎn)，好奇一點(diǎn)總沒(méi)錯(cuò)”

而對(duì)于那個(gè)四年五倍速的最終目標(biāo)，Guido則表示“我們必須保持旺盛的創(chuàng)造力。” 

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