作者：Anthony Shaw 是 Python 軟件基金會(huì)成員和 Apache 基金會(huì)成員。

近來Python可謂人氣驟升。這門編程語言用于開發(fā)運(yùn)維（DevOps）、數(shù)據(jù)科學(xué)、網(wǎng)站開發(fā)和安全。

然而，它沒有因速度而贏得任何獎(jiǎng)牌。

Java在速度方面與C、C++、C#或Python相比如何？答案很大程度上取決于你運(yùn)行的應(yīng)用程序的類型。沒有哪個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試程序盡善盡美，不過The Computer Language Benchmarks Game（計(jì)算機(jī)語言基準(zhǔn)測(cè)試游戲）是個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

十多年來，我一直提到計(jì)算機(jī)語言基準(zhǔn)測(cè)試游戲；與Java、C#、Go、Java和C++等其他語言相比，Python是速度最慢的語言之一。除了Java等解釋語言外，這還包括JIT（C#和Java）以及AOT（C和C++）編譯器。

注意：我說“Python”時(shí)，其實(shí)指這種語言的參考實(shí)現(xiàn)：CPython。我會(huì)在本文中提到其他運(yùn)行時(shí)環(huán)境。

我想回答這個(gè)問題：Python運(yùn)行完成類似的應(yīng)用程序比另一種語言慢2倍至10倍時(shí)，為什么它這么慢，我們能不能讓它更快些？

下面是幾種常見的說法：

• “它是GIL（全局解釋器鎖）”
• “這是由于它是解釋的，而非編譯”
• “這是由于它是一種動(dòng)態(tài)類型語言”

那么，到底上述哪個(gè)原因?qū)π阅軒淼挠绊懽畲螅?

“它是GIL”

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)搭載擁有多個(gè)內(nèi)核的CPU，有時(shí)搭載多個(gè)處理器。為了利用所有這些額外的處理能力，操作系統(tǒng)定義了一種名為線程的低級(jí)結(jié)構(gòu)：一個(gè)進(jìn)程（比如Chrome瀏覽器）可能生成多個(gè)線程，并擁有針對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的指令。這樣一來，如果某個(gè)進(jìn)程特別耗費(fèi)CPU資源，該負(fù)載可以在諸多核心之間分擔(dān)，這實(shí)際上讓大多數(shù)應(yīng)用程序更快地完成任務(wù)。

我在寫這篇文章時(shí)，我的Chrome瀏覽器有44個(gè)線程開著。請(qǐng)記住這點(diǎn)：線程的結(jié)構(gòu)和API在基于POSIX的操作系統(tǒng)（比如Mac OS和Linux）與Windows OS之間是不同的。操作系統(tǒng)還處理線程的調(diào)度。

如果你之前沒有從事過多線程編程，需要盡快熟悉的一個(gè)概念就是鎖（lock）。與單線程進(jìn)程不同，當(dāng)你需要確保改變內(nèi)存中的變量時(shí)，多個(gè)線程并不同時(shí)試圖訪問/改變同樣的內(nèi)存地址。

CPython創(chuàng)建變量時(shí)，它會(huì)分配內(nèi)存，然后計(jì)算該變量的引用有多少，這個(gè)概念名為引用計(jì)數(shù)（reference counting）。如果引用數(shù)為0，那么它從系統(tǒng)釋放這部分內(nèi)存。這就是為什么在某個(gè)代碼段（比如for循環(huán)的范圍）內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)“臨時(shí)”變量不會(huì)搞砸應(yīng)用程序的內(nèi)存消耗。

當(dāng)變量在多個(gè)線程內(nèi)共享時(shí)，就出現(xiàn)了這個(gè)難題：CPython如何鎖定引用計(jì)數(shù)。有一個(gè)“全局解釋器鎖”，它小心地控制線程執(zhí)行。解釋器一次只能執(zhí)行一個(gè)操作，無論它有多少線程。

這對(duì)Python應(yīng)用程序的性能來說意味著什么？

如果你有單線程、單個(gè)解釋器的應(yīng)用程序，這對(duì)速度不會(huì)有影響。刪除GIL根本不會(huì)影響你代碼的性能。

如果你想通過使用線程機(jī)制在單個(gè)解釋器（Python進(jìn)程）內(nèi)實(shí)現(xiàn)并發(fā)功能，而且線程是IO密集型（比如網(wǎng)絡(luò)IO或磁盤IO），你會(huì)看到GIL爭(zhēng)奪的后果。

上圖來自大衛(wèi)?比茲利（David Beazley）撰寫的《GIL可視化》文章：http://dabeaz.blogspot.com/2010/01/python-gil-visualized.html

如果你有Web應(yīng)用程序（比如Django），又在使用WSGI，那么針對(duì)Web應(yīng)用程序的每個(gè)請(qǐng)求都是一個(gè)單獨(dú)的Python解釋器，所以每個(gè)請(qǐng)求只有一個(gè)鎖。由于Python解釋器啟動(dòng)緩慢，一些WSGI實(shí)現(xiàn)擁有“守護(hù)進(jìn)程模式”，這可以讓一個(gè)或多個(gè)Python進(jìn)程為你保持活躍狀態(tài)。

其他Python運(yùn)行時(shí)環(huán)境怎么樣？

PyPy有一個(gè)GIL，它通常比CPython快3倍。

Jython之所以沒有GIL，是由于Jython中的Python線程由Java線程表示，受益于JVM內(nèi)存管理系統(tǒng)。

Java如何執(zhí)行此任務(wù)？

好吧，首先所有Java引擎都使用標(biāo)記-清除（mark-and-sweep）垃圾收集機(jī)制。如上所述，GIL的主要需求是CPython的內(nèi)存管理算法。

Java沒有GIL，但它也是單線程的，所以它不需要內(nèi)存管理算法。Java的事件循環(huán)和承諾回調(diào)（Promise/Callback）模式是實(shí)現(xiàn)異步編程以代替并發(fā)的方法。Python與asyncio事件循環(huán)有相似之處。

“這是由于它一種解釋語言”

我常聽到這個(gè)觀點(diǎn)，但覺得這過于簡(jiǎn)化了CPython的實(shí)際工作方式。如果你在終端上編寫了python my.py，那么CPython會(huì)啟動(dòng)讀取、分析、解析、編譯、解釋和執(zhí)行代碼的一長(zhǎng)串操作。

如果你對(duì)這個(gè)過程的機(jī)理頗感興趣，我之前寫過一篇文章：《6分鐘內(nèi)修改Python語言》（https://hackernoon.com/modifying-the-python-language-in-7-minutes-b94b0a99ce14）。

這個(gè)過程的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)是創(chuàng)建.pyc文件；在編譯階段，字節(jié)碼序列寫入到Python 3中__pycache__/里面的一個(gè)文件或Python 2中的同一個(gè)目錄。這不僅適用于你的腳本，還適用于導(dǎo)入的所有代碼，包括第三方模塊。

所以在大部分時(shí)間（除非你編寫的是只運(yùn)行一次的代碼？），Python解釋字節(jié)碼，并在本地執(zhí)行。相比之下Java和C#.NET：

Java編譯成一種“中間語言”，Java虛擬機(jī)讀取字節(jié)碼，并即時(shí)編譯成機(jī)器碼。.NET CIL也一樣，.NET公共語言運(yùn)行時(shí)環(huán)境（CLR）使用即時(shí)編譯，將編譯后代碼編譯成機(jī)器碼。

那么，既然都使用虛擬機(jī)和某種字節(jié)碼，為什么Python在基準(zhǔn)測(cè)試中比Java和C#都要慢得多呢？首先，.NET和Java是JIT編譯型的。

JIT或即時(shí)編譯需要一種中間語言，以便將代碼拆分成塊（或幀）。提前（AOT）編譯器旨在確保CPU在任何交互發(fā)生之前能理解每一行代碼。

JIT本身不會(huì)使執(zhí)行變得更快，因?yàn)樗匀粓?zhí)行相同的字節(jié)碼序列。然而，JIT讓代碼在運(yùn)行時(shí)能夠加以優(yōu)化。一個(gè)好的JIT優(yōu)化器會(huì)看到應(yīng)用程序的哪些部分在頻繁執(zhí)行，這些代碼稱之為“熱點(diǎn)代碼”（hot spot）。然后，它會(huì)對(duì)這些代碼進(jìn)行優(yōu)化，其辦法是把它們換成更高效的版本。

這就意味著當(dāng)你的應(yīng)用程序一次又一次地執(zhí)行相同的操作時(shí)，運(yùn)行速度可以顯著加快。另外記住一點(diǎn)：Java和C#是強(qiáng)類型語言，因此優(yōu)化器可以對(duì)代碼做出多得多的假設(shè)。

PyPy有JIT，如上所述，其速度比CPython快得多。這篇性能基準(zhǔn)測(cè)試文章作了更詳細(xì)的介紹：《哪個(gè)Python版本的速度最快？》（https://hackernoon.com/which-is-the-fastest-version-of-python-2ae7c61a6b2b）。

那么，CPython為什么不使用JIT呢？

JIT存在幾個(gè)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)之一是啟動(dòng)時(shí)間。CPython的啟動(dòng)時(shí)間已經(jīng)比較慢了，PyPy的啟動(dòng)時(shí)間比CPython還要慢2倍至3倍。眾所周知，Java虛擬機(jī)的啟動(dòng)速度很慢。.NET CLR通過系統(tǒng)開啟時(shí)啟動(dòng)解決了這個(gè)問題，但CLR的開發(fā)人員還開發(fā)了操作系統(tǒng)，CLR在它上面運(yùn)行。

如果你有一個(gè)Python進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，代碼因含有“熱點(diǎn)代碼”而可以優(yōu)化，那么JIT大有意義。

然而，CPython是一種通用實(shí)現(xiàn)。所以，如果你在使用Python開發(fā)命令行應(yīng)用程序，每次調(diào)用CLI都得等待JIT啟動(dòng)會(huì)慢得要命。

CPython不得不試圖滿足盡可能多的用例（use case）。之前有人試過將JIT插入到CPython中，但這個(gè)項(xiàng)目基本上擱淺了。

如果你想獲得JIT的好處，又有適合它的工作負(fù)載，不妨使用PyPy。

“這是由于它是一種動(dòng)態(tài)類型語言”

在“靜態(tài)類型”語言中，你在聲明變量時(shí)必須指定變量的類型。這樣的語言包括C、C++、Java、C#和Go。

在動(dòng)態(tài)類型語言中，仍然存在類型這個(gè)概念，但變量的類型是動(dòng)態(tài)的。

在這個(gè)示例中，Python創(chuàng)建了一個(gè)有相同名稱、str類型的第二個(gè)變量，并釋放為a的第一個(gè)實(shí)例創(chuàng)建的內(nèi)存。

靜態(tài)類型語言不是為了給你添堵而設(shè)計(jì)的，它們是兼顧C(jī)PU的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的。如果一切最終需要等同于簡(jiǎn)單的二進(jìn)制操作，你就得將對(duì)象和類型轉(zhuǎn)換成低級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

Python為你這么做這項(xiàng)工作，你永遠(yuǎn)看不到，也不需要操心。

不必聲明類型不是導(dǎo)致Python速度慢的原因，Python語言的設(shè)計(jì)使你能夠讓幾乎一切都是動(dòng)態(tài)的。你可以通過猴子補(bǔ)丁（monkey-patch），加入對(duì)運(yùn)行時(shí)聲明的值進(jìn)行低級(jí)系統(tǒng)調(diào)用的代碼。幾乎一切都有可能。

正是這種設(shè)計(jì)使得優(yōu)化Python異常困難。

為了說明我的觀點(diǎn)，我將使用可在Mac OS中使用的一種名為Dtrace的系統(tǒng)調(diào)用跟蹤工具。CPython發(fā)行版并未內(nèi)置DTrace，所以你得重新編譯CPython。我使用3.6.6進(jìn)行演示。

現(xiàn)在python.exe將在整個(gè)代碼中使用Dtrace跟蹤器。保羅?羅斯（Paul Ross）寫了一篇關(guān)于Dtrace的雜談（https://github.com/paulross/dtrace-py#the-lightning-talk）。你可以下載Python的DTrace啟動(dòng)文件（https://github.com/paulross/dtrace-py/tree/master/toolkit）來測(cè)量函數(shù)調(diào)用、執(zhí)行時(shí)間、CPU時(shí)間、系統(tǒng)調(diào)用和各種好玩的指標(biāo)。比如

py_callflow跟蹤器顯示你應(yīng)用程序中的所有函數(shù)調(diào)用。

那么，Python的動(dòng)態(tài)類型會(huì)讓它變慢嗎？

• 比較和轉(zhuǎn)換類型的開銷很大，每次讀取、寫入或引用一個(gè)變量，都要檢查類型。
• 很難優(yōu)化一種極具動(dòng)態(tài)性的語言。Python的許多替代語言之所以快得多，原因在于它們?yōu)榱诵阅茉陟`活性方面作出了犧牲。
• Cython 結(jié)合了C-Static類型和Python來優(yōu)化類型已知的代碼，可以將性能提升84倍。

結(jié)論

Python之所以速度慢，主要是由于動(dòng)態(tài)性和多功能性。它可用作解決各種問題的工具，Python有更優(yōu)化、速度更快的幾個(gè)替代方案。

然而，有一些方法可以優(yōu)化你的Python應(yīng)用程序，比如通過充分利用異步、深入了解分析工具以及考慮使用多個(gè)解釋器。

對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間不重要、代碼會(huì)受益于JIT的應(yīng)用程序來說，不妨考慮PyPy。

對(duì)于性能至關(guān)重要，又有更多靜態(tài)類型變量的部分代碼而言，不妨考慮使用Cython。