Python 为什么这么慢？

Python 在近几年变得异常流行，Python 语言学习成本低，写出来很像伪代码（甚至很像英语），可读性高，等等有很多显而易见的有点。被 DevOps, Data Science, Web Development 各种场景所青睐。但是这些美誉里面从来都没有速度。相比于其他语言，无论是 JIT 的，还是 AOT 的，Python 几乎总是最慢的。导致 Python 的性能问题的有很多方面，本文尝试谈论一下这个话题。

TL;DR

1. Python 有 GIL
2. Python 是一种“解释型”语言
3. Python 是动态类型的语言

GIL

现代计算机处理器一般都会有多核，甚至有些服务器有多个处理器。所以操作系统抽象出 Thread，可以在一个进程中 spawn 出多个 Thread，让这些 Thread 在多个核上面同时运行，发挥处理器的最大效率。（在 top 命令里面可以看到系统中的 threads 数量）

所以很显然，在编程时使用 Thread 来并行化运行可以提升速度。

但是 Python （有时候）不行。

Python 是不需要你手动管理内存的（C 语言就需要手动 malloc/free），它自带垃圾回收程序。意思是你可以随意申请、设置变量，Python 解释器会自动判断这个变量什么时候会用不到了（比如函数退出了，函数内部变量就不用到了），然后自动释放这部分内存。实现垃圾回收机制有很多种方法，Python 选择的是引用计数+分代回收。引用计数为主。原理是每一个对象都记住有多少其他对象引用了自己，当没有人引用自己的时候，就是垃圾了。

但是在多线程情况下，大家一起运行，引用计数多个线程一起操作，怎么保证不会发生线程不安全的事情呢？很显然多个线程操作同一个对象需要加锁。

这就是 GIL，只不过这个锁的粒度太大了，整个 Python 解释器全局只有一个 Thread 可以运行。详见 dabeaz 博客。

因为其他语言没有 GIL，所以很多人对 GIL 误解。比如：

“Python 一次只能运行一个线程，所以我写多线程程序是不需要加锁的。” 这是不对的，“一次只能运行一个线程”指的是 Python 解释器一次只能运行一个线程的字节码（Python 代码会编译成字节码给Python虚拟机运行），是 opcode 层面的。一行 Python 代码，比如 a += 1 ，实际上会编译出多条 opcode：先 load 参数 a，然后 a + 1，然后保存回参数 a。假如 load 完成还没计算，这时候线程切换了，其他线程修改了 a 的值，然后切换回来继续执行计算和存储 a，那么就会造成线程不安全。所以多线程同时操作一个变量的时候，依然需要加锁。

“Python 一次只能运行一个线程，所以 Python 的多线程是没有意义的。” 这么说也不完全对。假如你要用多线程利用多核的性能，那 Python 确实不行。但是假如 CPU 并不是瓶颈，网络是瓶颈，多线程依然是有用的。通常的编程模式是一个线程处理一个网络连接，虽然只有一个线程在运行，但其他线程都在等待网络连接，也不算“闲着”。简单说，CPU 密集型的任务，Python 的多线程确实没啥用（甚至因为多线程切换的开销还会比单线程慢），IO 密集型的任务，Python 的多线程依然可以加速。

这么说可能比较好理解：无论你的电脑的 CPU 有多少核，对 Python 来说，它只用 1 个核。

其他的 Python Runtime 呢？Pypy 有 GIL，但是可以比 CPython 快 3x。Jython 是基于 JVM 的，JVM 没有 GIL，所以 Jython 依然 JVM 的内存分配，它也没有 GIL。

其他语言呢？刚刚说了 JVM，Java 也是用的引用计数，但是它的的 GC 是 multithread-aware 的，实现上更复杂一些（有朋友跟我说 Java 已经不是引用计数了，这个地方请读者注意，附一个参考资料）。JavaScript 是单线程异步编程的模式，所以它没有这个问题。

作为一个解释型的语言……

像 C/C++/Rust 这些语言直接编译成机器码运行，是编译型语言；Python 的运行过程是虚拟机读入 Python 代码（文本），词法分析，编译成虚拟机认识的 opcode，然后虚拟机解释 opcode 执行。但这其实不是最主要的原因，Python import 之后会缓存编译后的 opcode，（pyc 文件或者 __pycache__ 文件夹）。所以读入、词法分析和编译并没有占用太多的时间。

那么真正的慢的是哪一步分呢？就是后面的虚拟机解释 opcode 执行的部分。前期的编译是将 Python 代码编译成解释器可以理解的中间代码，解释器再将中间代码翻译成 CPU 可以理解的指令。相比于 AOT（提前编译型语言，比如C）直接编译成机器码，肯定是慢的。

但是为什么 Java 不慢呢？

因为 Java 有 JIT。即时编译技术将代码分成 frames，AOT 编译器负责在运行时将中间代码翻译成 CPU 可以理解的代码。这一部分跟 Python 的解释器没有太大的区别，依然是翻译中间代码、执行。真正快的地方是，JIT 可以在运行时做优化，比如虚拟机发现一段代码在频繁执行（大多数情况下我们的程序都在反复执行一段代码），就会开始优化，将这段代码用更改的版本替换掉。这是仅有虚拟机语言才有的优势，因为要收集运行时信息。像 gcc 这种 AOT编译器，只能基于静态分析做一些分析。

为什么 Python 没有 JIT 呢？

第一是 JIT 开发成本比较高，非常复杂。C# 也有很好的 JIT，因为微软有钱。

第二是 JIT 启动速度慢，Java 和 C# 虚拟机启动很多。CPython 也很慢，Pypy 有 JIT，它比 CPython 还要慢 2x – 3x。长期运行的程序来说，启动慢一些没有什么，毕竟运行时间长了之后代码会变快，收益更高。但是 CPython 是通用目的的虚拟机，像命令行程序来说，启动速度慢体验就差很多了。

第三是 Java 和 C# 是静态类型的虚拟机，编译器可以做一些假设。（这么说不知道对不对，因为 Lua 也有很好的 JIT）

动态类型

静态类型的语言比如 C，Java，Go，需要在声明变量的时候带上类型。而 Python 就不用，Python 帮你决定一个变量是什么类型，并且可以随意改变。

动态类型为什么慢呢？每次检查类型和改变类型开销太大；如此动态的类型，难以优化。

动态类型带来好处是，写起来非常简单，符合直觉（维护就是另一回事了）；可以在运行时修改对象的行为，Monkey Patch 非常简单。

近几年的语言都是静态类型的，比如 Go，Rust。静态类型不仅对编译器来说更友好，对程序员来说程序也更好维护。个人认为，未来是属于静态类型的。

 

阅读资料：

1. Python 官方 wiki
2. Removing Python’s GIL: The Gilectomy
3. David Beazley 有关 GIL 的 Slides：http://www.dabeaz.com/GIL/ ，视频（比较糊，毕竟2010年的）
4. Gilectomy的最新动态
5. https://hackernoon.com/why-is-python-so-slow-e5074b6fe55b
6. https://jakevdp.github.io/blog/2014/05/09/why-python-is-slow/
7. https://hacks.mozilla.org/2017/02/a-crash-course-in-just-in-time-jit-compilers/

---