多核Python：一个艰难却有价值的目标

原文：Multicore Python: A tough, worthy, and reachable goal
作者： Serdar Yegulalp
翻译：赖信涛
责编：钱曙光

现在的Python有这么多方便优秀的特性，可是有一个特性一直迟迟没有实现：所有基于CPython的解释器都不能同时在多个CPU核心上并行运行App。

这一直是Python最大的绊脚石，特别是现有的实现方法都非常笨拙。目前，随着现在处理器的核心数目不断增长（英特尔最近发布了24核心的CPU），寻求一个长远的解决方案变得更加急不可待。

共用一个锁

事实上，在Python中使用多线程是完全可以的——其实用的很多。但是对于CPython来说，不可能的事情是，在多个不同的CPU核心上并行运行不同的线程。在CPython的内存管理中存在安全隐患，所以解释器每次只能运行一个线程，然后根据需要控制锁的全局状态，在不同的线程中切换。

这种锁的机制——解释器全局锁（the Global Interpreter Lock，GIL）是CPython不支持并行线程的根本原因。但是也有一些缓冲的中间件，比如，在硬盘上的IOS操作和网络读取不和GIL绑定，所以可以自由地并行运行他们的线程，但是和CPU绑定的线程就成问题了。

对于Python程序员来说，这就意味着在大型计算任务方面的并行性能的损失。使用Python工作的方便伴随着多线程性能方面的巨大损失，这时，同样比较方便的其他语言就占了优势，比如Google的Go语言。

打破一个锁

随着时间的推移，人们相出了很多策略来优化多线程——但大多都是治标不治本——都没有从根本上解决GIL的问题。一个标准的方案是，启动多个CPython实例，然后在这些实例之间共享状态和数据；每一个实例都独立地运行在不同的CPU上。但是Jeff Knupp说，这种方案带来的收益会因为共享状态的成本大大损失。

C语言扩展并不受GIL的限制，所以很多对速度要求很高的库（比如科学计算库Numpy）是用C实现的，可以多核多线程运行。但是CPython的限制依然存在，如果说避免这个问题最好的方法是使用C扩展的话，那么只会让更多的程序员放弃Python而使用C语言。

PyPy，Python的自举实现，采用了JIT技术，虽然没有解决GIL的问题，但是大大提升了代码运行的速度。从某种方面讲，如果只看速度的话，也差不到哪里去，但是从根本上讲，并没有解决多线程的问题。

最后，GIL在Python 3中得到了优化，有了更好的线程切换。但是根本问题依然存在——由于GIL程序还是不能真正地多线程并行运行。

没有GIL？没有问题

抛开上面这些问题不说，对没有GIL的、兼容现有app的Python的追求从未停止。很多Python的其他实现都完全原离GIL，但是都遭到了性能上的损失。比如，一个运行在JVM之上的Python实现——Jython，使用了JVM的对象跟踪系统，而不是GIL。IronPython采用了和微软的CLR相同的策略。但是两者的性能都很反常。有时候，它们表现的比CPython还慢，有时候不兼容外部的C代码，所以很多程序并不能正常工作。

Trent Nelson of Continuum Analytics的一个叫PyParallel的项目，是一个“实验性的，理论证明可行的对多核心CPU并行运算优化的Python 3设计实现。”它并没有废弃GIL，但是通过替换async优化了它的引入，所以应用可以使用async来并行运算（就像IO、网络服务器一样）。这个项目已经停滞好几个月了，但是从文档来看，它的开发者对这样的进度很满意。最终，他们在CPython中这样宣布：“慢点没什么，只要方向对了就可以。”

PyPy的创始人有一个长期的项目，这个Python的实现使用了一种叫“软件内存交换（software transactional memory）”(PyPy-STM)的技术。根据PyPy创始人的说法，好处是，“这个项目可以对现有的程序优化，使没有多线程运行的程序可以在多个核心上运行。”

PyPy-STM听起来像魔法一样，但是它有两个缺点。第一，现在这个项目还在开发中，目前只支持2.X。第二，对于单线程的程序，性能有所下降。根据Python的创始人范·罗苏姆规定的条款，任何有关解决GIL的尝试，都不能降低单线程程序运行的速度。所以，这个项目暂时不能被CPython接受。

进步与等待

Python的核心开发者Larry Hastings在PyCon 2016上分享了一些关于解决GIL问题的观点，Hastings分享了他关于GIL问题的尝试，并在最后给出了一个没有GIL的Python实现，但是因为缓存问题，性能也不尽人意。

Hastings在最后总结到，你可以删掉GIL，但是你必须有一种方法来确保每次只有一个线程在操作全局对象——比如，使用一个公有线程，让解释器来处理状态的改变。

一个好消息是，如果CPython修复了GI了的问题，那么开发者使用Python可以轻松地开发多线程程序。因为Python的语法在不断优化，Python 3.5以来，async/await语法使得开发多线程程序非常简单。

现在，关于Python GIL的问题还有很多工作需要做。但是毫无疑问的是，问题的第一个答案将是像PyPy-STM一样的单独的Python实现。现在如果想尝试一下没有GIL的Python，可以试一下第三方的版本。CPython目前没有任何反应，期待等待的时间不会太长。