CPython

CPython — эталонная и самая распространённая реализация языка Python, написанная на языке C. Именно её скачивают с python.org, именно она входит в дистрибутивы Linux и macOS, и именно в ней первыми появляются новые возможности языка. Название подчёркивает язык реализации и отличает её от альтернатив — PyPy, Jython, GraalPy, MicroPython.

История

CPython — исходная реализация, которую Гвидо ван Россум начал писать в 1989 году; название «CPython» появилось позже, когда возникли другие реализации. Долгое время проект жил в системе контроля версий Mercurial, а в 2017 году переехал на GitHub (PEP 512). Разработкой занимаются несколько десятков core-разработчиков, решения о крупных изменениях принимаются через PEP.

Как исполняется код

Запуск программы в CPython проходит несколько стадий:^[1]

1. Токенизация и разбор — исходный текст превращается в абстрактное синтаксическое дерево (AST). С версии 3.9 используется PEG-парсер.
2. Компиляция — AST переводится в байт-код: последовательность инструкций стековой виртуальной машины, упакованных в объекты кода.
3. Кеширование — байт-код импортируемых модулей сохраняется в файлы .pyc в каталоге __pycache__ (PEP 3147), чтобы не компилировать их заново.^[6]
4. Интерпретация — главный цикл (ceval.c) выбирает инструкции по одной и исполняет их.

Байт-код можно посмотреть модулем dis:^[7]

import dis

def add(a, b):
    return a + b

dis.dis(add)
#   RESUME          0
#   LOAD_FAST_LOAD_FAST  (a, b)
#   BINARY_OP       0 (+)
#   RETURN_VALUE

Точный набор инструкций меняется от версии к версии и не является частью спецификации языка.

Управление памятью

Каждый объект хранит счётчик ссылок; когда он падает до нуля, память освобождается немедленно. Это делает поведение предсказуемым (файл закрывается сразу после потери последней ссылки), но не справляется с циклами — например, двумя объектами, ссылающимися друг на друга. Для них работает дополнительный циклический сборщик мусора по поколениям (модуль gc). Подробнее — в статье Сборка мусора.

GIL и многопоточность

Подсчёт ссылок не потокобезопасен, поэтому исторически CPython защищает интерпретатор глобальной блокировкой (GIL): в каждый момент Python-байт-код исполняет только один поток. Потоки полезны для ввода-вывода (блокировка отпускается при ожидании), но не ускоряют вычисления на нескольких ядрах.

PEP 703 предложил сборку без GIL.^[4] В версии 3.13 она появилась как экспериментальная (исполняемый файл python3.13t), в 3.14 получила статус официально поддерживаемой (PEP 779), хотя по умолчанию по-прежнему поставляется сборка с GIL.^[5] Подробности — в статье GIL и free-threading (PEP 703).

Ускорение интерпретатора

Начиная с 3.11 проект Faster CPython заметно ускорил интерпретатор:

C API и расширения

CPython предоставляет C API, через который пишутся модули расширения — так устроены NumPy, драйверы баз данных и многие быстрые библиотеки. Это источник силы экосистемы и одновременно ограничение: альтернативным реализациям трудно поддерживать совместимость с расширениями, завязанными на внутренности CPython. Для генерации расширений используют Cython, pybind11, а для Rust — PyO3.

Сравнение с другими реализациями

См. также

• Python
• Компилятор и интерпретатор
• GIL и free-threading (PEP 703)
• Сборка мусора

Источники

1. Python Developer's Guide — Internals
2. PEP 659 — Specializing Adaptive Interpreter
3. PEP 744 — JIT Compilation
4. PEP 703 — Making the Global Interpreter Lock Optional in CPython
5. PEP 779 — Criteria for supported status for free-threaded Python
6. PEP 3147 — PYC Repository Directories
7. dis — Disassembler for Python bytecode