Tudo o que você precisa saber sobre o Python 3.13 – melhorias no JIT e no GIL

(drew.silcock.dev)

14 pontos por GN⁺ 2024-09-29 | 3 comentários | Compartilhar no WhatsApp

Principais mudanças no Python 3.13

O CPython v3.13.0 está previsto para ser lançado em 7 de outubro de 2024
Esta versão inclui duas mudanças principais que podem ter grande impacto no desempenho do Python
- uma versão "free-threaded" que permite desativar o Global Interpreter Lock (GIL)
- suporte experimental à compilação Just-in-Time (JIT)

Global Interpreter Lock (GIL)

O que é o GIL?

Python foi projetado e implementado no fim dos anos 1980 por Guido Van Rossum como uma linguagem interpretada de thread única
Python compila o código-fonte em bytecode e depois o interpretador o executa
Para acessar objetos com segurança em todas as threads, usa um lock global (GIL)
- é um lock global de exclusão mútua que impede que várias threads executem bytecode ao mesmo tempo
Isso limita o uso de memória compartilhada, mas é bom para o desempenho em thread única

Por que o Python tem GIL

No começo dos anos 1990, a maioria dos programas era single-thread e o desempenho de núcleos únicos aumentava rapidamente
Não havia necessidade de sacrificar o desempenho em thread única por segurança em multithreading
É possível usar múltiplos processos para aproveitar vários núcleos (módulo multiprocessing)

Por que remover o GIL agora?

Os desenvolvedores core do Python queriam remover o GIL há muito tempo, mas isso não avançou por receio de queda no desempenho em thread única
Com a popularização recente dos processadores multicore, as limitações de multithreading causadas pelo GIL passaram a ser um problema
O projeto "Faster CPython", patrocinado pela Microsoft, contribuiu para melhorar o desempenho do Python
Sam Gross propôs uma implementação sem GIL, e a PEP 703 foi adotada
Plano de adoção gradual: opção experimental → suporte oficial → modo padrão
Nesse contexto, foi aprovado um plano de remoção gradual do GIL

E o desempenho?

Ao ativar o free-threading, o desempenho em thread única cai cerca de 20%
Multithreading com o GIL desativado mostra um ganho de desempenho significativo
Multithreading com o GIL ativado é mais lento do que thread única
Multithreading com o GIL desativado apresenta desempenho semelhante ao de multiprocessing

Como usar o Python free-threading?

Ao instalar o Python 3.13.0rc2t com pyenv, é possível usar a versão free-threading
Por padrão, o GIL fica desativado, e é possível reativá-lo em runtime com -X gil=1
Ao importar um módulo que não oferece suporte a GIL free, o GIL é ativado automaticamente

Compilador JIT (Just-in-Time)

O que é JIT?

Diferentemente da compilação tradicional ahead-of-time, é uma técnica que gera machine code logo antes da execução
Antes do Python 3.13, o bytecode era executado convertendo cada instrução em linguagem de máquina, uma por uma
Com a introdução do JIT, o bytecode pode ser convertido em linguagem de máquina de uma vez só e atualizado quando necessário
A técnica introduzida no Python 3.13 é o JIT "copy-and-patch", que aplica patches em native code a partir de bytecode correspondente a templates predefinidos
Compiladores JIT mais avançados podem otimizar áreas "hot" do código que são executadas com frequência

Qual é o impacto do JIT?

No curto prazo, não deve haver grande mudança na forma de escrever ou executar código Python
Mas espera-se uma melhoria gradual de desempenho, permitindo competir com outras linguagens

Como usar o JIT?

No Python 3.13, o JIT é experimental e não vem ativado por padrão
Pode ser habilitado na compilação com a opção PYTHON_CONFIGURE_OPTS="--enable-experimental-jit"
Em runtime, é possível controlar a ativação com PYTHON_JIT=0/1

Conclusão

Python 3.13 é um grande lançamento que introduz novos conceitos e recursos interessantes no runtime
- a remoção do GIL e a introdução do JIT sinalizam mudanças importantes
No curto prazo, talvez não haja grandes mudanças, mas no longo prazo o impacto sobre o desempenho do Python deve ser positivo
- à medida que free-threading e JIT amadurecerem, espera-se um grande impacto no desempenho, especialmente em tarefas CPU-bound

Opinião do GN⁺

Esta atualização do Python 3.13 parece que vai trazer uma grande mudança para o ecossistema Python. Espera-se que a remoção do GIL alivie gargalos de multithreading e que a introdução do JIT melhore a velocidade geral de execução.
No entanto, ainda deve levar tempo até que essas mudanças estejam totalmente estabilizadas. Podem surgir problemas de compatibilidade com pacotes existentes, como extensões em C, e novos bugs, como race conditions, podem aparecer na programação multithread.
A lentidão do Python vinha sendo apontada como uma desvantagem, e espera-se que esta atualização ajude a melhorar essa percepção. Se além da produtividade e da legibilidade que já possui, Python também ganhar velocidade, poderá se tornar uma linguagem ainda mais amplamente usada.
Ainda assim, existe uma limitação fundamental por ser uma linguagem de tipagem dinâmica. Também será necessário continuar os esforços para incorporar vantagens de linguagens de tipagem estática. Com o uso ativo de recursos introduzidos recentemente no Python, como type hinting e Cython, isso pode ser parcialmente resolvido.
Em resumo, o Python 3.13 parece trazer mudanças interessantes e positivas. Espera-se que os desenvolvedores entendam bem essas mudanças e as aproveitem para criar programas Python melhores.

3 comentários

ilotoki0804 2024-09-30

Tanto a remoção do GIL quanto o JIT, embora ainda sejam modestos por enquanto, são avanços muito importantes que podem mudar o rumo do Python. É animador pensar no futuro do Python, deixando para trás a fama de “linguagem mais lenta” e sendo usado em ainda mais áreas daqui para frente.