Python 3.11正式版來了，比3.10快10-60%，官方：這或許是最好的版本

作者：機(jī)器之心 2022-10-25 13:55:45

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終于，Python 3.11 正式版發(fā)布了！

2020 年 1 月 1 日，Python 官方結(jié)束了對 Python 2 的維護(hù)，這意味著 Python 2 已完全退休，進(jìn)入了 Python 3 時(shí)代。打從進(jìn)入 3 版本以來，Python 官方已經(jīng)發(fā)布了眾多修改分支，現(xiàn)在來到了最新的版本 Python 3.11。

其實(shí)研究界有個(gè)不公開的秘密，那就是 Python 運(yùn)行速度并不快但容易上手，因此使用人數(shù)超級多，在眾多最受歡迎語言榜單中 Python 多次位列第一。很多開發(fā)者都期待這門語言的性能有所提升，還有人暢想 Python 4 會不會在某個(gè)不經(jīng)意的時(shí)刻到來，有這種想法的人可以放一放了，Python 之父 Van Rossum 都說了，Python 4.0 可能不會來了。

Van Rossum 曾表示：「我和 Python 核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員對 Python 4.0 沒什么想法，提不起興趣，估計(jì)至少會一直編號到 3.33。Python 的加速是漸進(jìn)式的，3.11 版本會有新的速度提升，預(yù)計(jì)會比 3.10 快得多。」

正如 Van Rossum 所說，根據(jù)官方資料顯示最新發(fā)布的 Python 3.11 比 Python 3.10 快 10-60%，對用戶更友好。這一版本歷經(jīng) 17 個(gè)月的開發(fā)，現(xiàn)在公開可用。

Python 3.11 的具體改進(jìn)主要表現(xiàn)在：更詳實(shí)的 Error Tracebacks、更快的代碼執(zhí)行、更好的異步任務(wù)語法、改進(jìn)類型變量、支持 TOML 配置解析以及一些其他非?？岬墓δ埽ò焖賳?、Zero-Cost 異常處理、異常組等）。

Python 指導(dǎo)委員會成員和核心開發(fā)者、Python3.10/3.11 發(fā)布管理者 Pablo Galindo Salgado 表示，為了使 3.11 成為最好的 Python 版本，我們付出了很多努力。

Python 3.11 新特性

Error Tracebacks

Python 這門編程語言對初學(xué)者非常友好，它具有易于理解的語法和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但對于剛剛接觸 Python 的人來說卻存在一個(gè)難題，即如何解釋當(dāng) Python 遇到錯誤時(shí)顯示的 traceback。

Python 3.11 將 Decorative annotation 添加到 tracebacks 中，以幫助用戶更快地解釋錯誤消息。想要獲得這種功能，可以將以下代碼添加到 inverse.py 文件中。

舉例來說，你可以使用 inverse() 來計(jì)算一個(gè)數(shù)的倒數(shù)。因?yàn)?0 沒有倒數(shù)，所以在運(yùn)行下列代碼時(shí)會拋出一個(gè)錯誤。

注意嵌入在 traceback 中的 ^ 和~ 符號，它們指向?qū)е洛e誤的代碼。與此前的 tracebacks 一樣，你應(yīng)該從底層開始，然后逐步向上。這種操作對發(fā)現(xiàn)錯誤非常有用，但如果代碼過于復(fù)雜，帶注釋的 tracebacks 會更好。

更快的代碼執(zhí)行

Python 以速度慢著稱，例如在 Python 中，常規(guī)循環(huán)比 C 中的類似循環(huán)慢幾個(gè)數(shù)量級。

Python 官方正在著手改進(jìn)這一缺陷。2020 年秋，Mark Shannon 提出了關(guān)于 Python 的幾個(gè)性能改進(jìn)。這個(gè)提議被稱為香農(nóng)計(jì)劃 (Shannon Plan)，他們希望通過幾個(gè)版本的更新將 Python 的速度提高 5 倍。不久之后微軟正式加入該計(jì)劃，該公司正在支持包括 Mark Shannon、Guido van Rossum 在內(nèi)的開發(fā)人員，致力于「Faster CPython」項(xiàng)目的研究。

「Faster CPython」項(xiàng)目中的一個(gè)重要提案是 PEP 659，在此基礎(chǔ)上，Python 3.11 有了許多改進(jìn)。

PEP 659 描述了一種「specializing adaptive interpreter」。主要思想是通過優(yōu)化經(jīng)常執(zhí)行的操作來加快代碼運(yùn)行速度，這類似于 JIT（just-in-time）編譯。只是它不影響編譯，相反，Python 的字節(jié)碼是動態(tài)調(diào)整或可更改的。

研究人員在字節(jié)碼生成中添加了一個(gè)名為「quickening」的新步驟，從而可以在運(yùn)行時(shí)優(yōu)化指令，并將它們替換為 adaptive 指令。

一旦函數(shù)被調(diào)用了一定次數(shù)，quickening 指令就會啟動。在 CPython 3.11 中，八次調(diào)用之后就會啟動 quickening。你可以通過調(diào)用 dis() 并設(shè)置 adaptive 參數(shù)來觀察解釋器如何適應(yīng)字節(jié)碼。

在基準(zhǔn)測試中，CPython 3.11 比 CPython 3.10 平均快 25%。Faster CPython 項(xiàng)目是一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目，已經(jīng)有幾個(gè)優(yōu)化計(jì)劃在 2023 年 10 月與 Python 3.12 一起發(fā)布。你可以在 GitHub 上關(guān)注該項(xiàng)目。

項(xiàng)目地址：https://github.com/faster-cpython/ideas

更好的異步任務(wù)語法

Python 中對異步編程的支持已經(jīng)發(fā)展了很長時(shí)間。Python 2 時(shí)代添加了生成器，asyncio 庫最初是在 Python 3.4 中添加的，而 async 和 await 關(guān)鍵字是在 Python 3.5 中添加的。在 Python 3.11 中，你可以使用任務(wù)組（task groups），它為運(yùn)行和監(jiān)視異步任務(wù)提供了更簡潔的語法。

改進(jìn)的類型變量

Python 是一種動態(tài)類型語言，但它通過可選的類型提示支持靜態(tài)類型。Python 靜態(tài)類型系統(tǒng)的基礎(chǔ)在 2015 年的 PEP 484 中定義。自 Python 3.5 以來，每個(gè) Python 版本都引入了幾個(gè)與類型相關(guān)的新提案。

Python 3.11 發(fā)布了 5 個(gè)與類型相關(guān)的 PEP，創(chuàng)下新高：

PEP 646: 可變泛型
PEP 655: 根據(jù)需要或可能丟失的情況標(biāo)記單個(gè) TypedDict 項(xiàng)
PEP 673: Self 類型
PEP 675: 任意文字字符串類型
PEP 681: 數(shù)據(jù)類轉(zhuǎn)換

支持 TOML 配置解析

TOML 是 Tom's Obvious Minimal Language 的縮寫。這是一種在過去十年中流行起來的配置文件格式。在為包和項(xiàng)目指定元數(shù)據(jù)時(shí)，Python 社區(qū)已將 TOML 作為首選格式。

雖然 TOML 已被使用多年，但 Python 并沒有內(nèi)置的 TOML 支持。當(dāng) tomllib 添加到標(biāo)準(zhǔn)庫時(shí)，Python 3.11 中的情況發(fā)生了變化。這個(gè)新模塊建立在 toml 第三方庫之上，允許解析 TOML 文件。

以下是名為 units.toml 的 TOML 文件示例：

其他功能

除了以上主要更新和改進(jìn)之外，Python 3.11 還有更多值得探索的功能，比如更快的程序啟動速度、對異常的更多改變以及對字符串格式的小幅改進(jìn)。

更快的程序啟動速度

Faster CPython 項(xiàng)目的一大成果是實(shí)現(xiàn)了更快的啟動時(shí)間。當(dāng)你運(yùn)行 Python 腳本時(shí)，解釋器初始化需要一些操作。這就導(dǎo)致即便是最簡單的程序也需要幾毫秒才能運(yùn)行。

在很多情況下，與運(yùn)行代碼所需時(shí)間相比，啟動程序需要的時(shí)間可以忽略不計(jì)。但是在運(yùn)行時(shí)間較短的腳本中，如典型的命令行應(yīng)用程序，啟動時(shí)間可能會顯著影響程序性能。比如考慮如下腳本，它受到了經(jīng)典 cowsay 程序的啟發(fā)。

在 snakesay.py 中，你從命令行讀取一條消息，然后將這條消息打印在帶有一條可愛蛇的對話氣泡中。你可以讓蛇說任何話。這是命令行應(yīng)用程序的基本示例，它運(yùn)行得很快，但仍需要幾毫秒。這一開銷的很大部分發(fā)生在 Python 導(dǎo)入模塊時(shí)。

你可以使用 - X importtime 選項(xiàng)來顯示導(dǎo)入模塊所用的時(shí)間。表中的數(shù)字為微秒為單位，最后一列是模塊名稱的格式。

該示例分別運(yùn)行在 Python 3.11 和 3.10 上，結(jié)果如下圖所示，Python 3.11 的導(dǎo)入速度更快，有助于 Python 程序更快地啟動。

零成本異常

異常的內(nèi)部表示在 Python 3.11 中有所不同。異常對象更輕量級，并且異常處理發(fā)生了變化。因此只要不觸發(fā) except 字句，try … except 塊中的開銷就越小。

所謂的零成本異常受到了 C++ 和 Java 等其他語言的啟發(fā)。當(dāng)你的源代碼被編譯為字節(jié)碼時(shí)，編譯器創(chuàng)建跳轉(zhuǎn)表，由此來實(shí)現(xiàn)零成本異常。如果引發(fā)異常，查詢這些跳轉(zhuǎn)表。如果沒有異常，則 try 塊中的代碼沒有運(yùn)行時(shí)開銷。

異常組

此前，你了解到了任務(wù)組以及它們?nèi)绾瓮瑫r(shí)處理多個(gè)錯誤。這都要?dú)w功于一個(gè)被稱為異常組的新功能。

我們可以這樣考慮異常組，它們是包裝了其他幾種常規(guī)異常的常規(guī)異常。雖然異常組在很多方面表現(xiàn)得像常規(guī)異常，但它們也支持特殊語法，幫助你有效地處理每個(gè)包裝異常。如下所示，你可以通過給出一個(gè)描述并列出包裝的異常來創(chuàng)建一個(gè)異常組。