一句话讲明白CPython的JIT构建机制和工作原理

Python 为啥要搞 JIT?从解释器到黑魔法,一口气讲明白

很多人写 Python 的时候,心情大概是这样的:“写完 print("Hello World"),回车,哇结果出来了!Python 真丝滑!”

但再写一会儿你会发现:“咋运行起来这么慢?同样的逻辑,C++ 跑完了,Python 还在喝茶。”

于是,Python 官方这几年搞了一个新玩意:JIT(Just-In-Time 编译器)。听上去很高大上,其实就是想让 Python “边跑边变快”。今天我就带你拆开 CPython 的黑盒子,看看 JIT 究竟是个啥。

先别急着说 JIT,得先看看原版 CPython 是咋跑代码的。

假设你写了个函数:

python
def abs(a: int, b: int) -> int:
    if a > b:
        return a - b
    return b - a

你运行它,结果立马出来。表面上很简单,实际上解释器偷偷干了这几步:

1. 分词(Tokenize)
   解释器先把代码切成“最小零件”,比如 defabsif>
   这就好比你写作文,老师先数单词:主语、谓语、宾语,各站好队。

2. 语法树(AST)
   仅有单词还不行,还得拼成语法树。
   就像搭积木:要知道 if 在函数里面,ab 是参数,不然就乱套了。
   语法错了怎么办?直接一巴掌 SyntaxError,告诉你“语文不过关”。

3. 字节码(Bytecode)
   最后,Python 把语法树编译成“字节码”。这东西很像汇编语言,是解释器能听懂的指令。
   举个例子:a > b 变成了 LOAD_FAST aLOAD_FAST bCOMPARE_OP >
   解释器接下来就老老实实一条条执行,像流水线工人一样干活。

所以总结一下:Python 解释器的日常就是翻译 + 搬砖。


大家都知道 Python 慢,官方也不想背锅,所以在 3.11 搞了个新机制:Specializing Adaptive Interpreter(自适应解释器)

通俗说,就是 Python 学会偷懒了

* 解释器会盯着你跑的代码,
* 如果发现 a - b 一直都是整数减法,
* 那就给你开个直通车,下次就直接走最快路径,不再傻乎乎地检查类型。

结果呢?Python 3.11 比 3.10 平均快了 25%。这就是“同样的代码,升级版本以后你会觉得丝滑不少”的原因。


好,接下来该轮到 JIT 登场了。
但是,Python 先整了个“前戏”——微操作(uops)解释器

这东西干嘛用?一句话:把字节码再拆得更细

原本你一句 a - b 是一条 BINARY_OP,现在会被拆成:

* 取出 a
* 取出 b
* 做减法
* 返回结果

看起来比原来还啰嗦,效率还可能更低。就像以前你喊“帮我倒杯水”,室友一秒搞定;现在他要先汇报:“我拿杯子了 → 我打开水龙头了 → 我倒水了 → 我关水龙头了 → 给你”。

那为啥要整这套累赘的流程?因为 只有拆得足够细,后面 JIT 才能拼接优化,生成真正的机器码
这就是彩排。慢点没关系,后面要放大招。


终于到重点:JIT(Just-In-Time 编译器)

JIT 的套路是:边跑代码边编译机器码。这样,CPU 就不用看懂字节码,而是直接跑原生指令。

在 CPython 里,JIT 用的是一个叫 Copy-and-Patch 的技巧:

1. 预制模板(stencil files)
   Python 用 LLVM 事先生成一堆机器码模板,放在口袋里备用。

2. 盯住热代码
   哪些函数你老是调?解释器一看:“哟,这段代码很火啊!” → 标记为“hot”。

3. 拼机器码
   JIT 把微操作(uops)拿出来,对照模板,复制一份机器码,补上地址和常量,拼成完整的执行片段。

4. 直跑
   接下来,CPU 直接跑这段机器码,解释器直接下班歇着。

听起来很像“Python 解释器外包给 C 写好的速成班”,确实就是这个意思。


讲到这里你可能会以为:“那 Python 岂不是要起飞了?以后和 C++ 一样快?”

答案是:别想太多。

现实是:

* 在 Python 3.14 的实验版里,JIT 有些场景能跑得更快,
* 但更多时候,它跟原版差不多,甚至还慢点。

为什么?因为:

* 收集信息、拆成微操作、拼接机器码,全都要开销。
* Python 又是动态语言,变量类型乱飞,优化起来没那么省心。

所以目前的 Python JIT,还处于“学步期”。你可以玩玩,但千万别拉它去跑线上生产任务。


虽然现在 JIT 还很鸡肋,但它代表了 Python 性能进化的方向

想想 JavaScript,当年谁不嫌慢?结果搞了 JIT,V8 引擎直接让 JS 变成能跑 3D 游戏的狠角色。
Python 可能也会走同样的路,几年后说不定真能甩掉“蜗牛速度”的帽子。

所以,如果你想体验,可以这样试:

bash
PYTHON_JIT=1 python your_script.py

然后你就能跑在 JIT 模式下,顺便把踩坑经历反馈给社区。毕竟,Python 的未来,就得靠大家一起玩命折腾。

总结:从翻译官到黑魔法

一句话概括 Python JIT 的进化历程:

1. 普通模式:解释器老老实实读字节码,慢但稳。
2. 自适应模式:解释器开始投机取巧,给常见类型装快速通道。
3. uops 微操作:拆分更细,为 JIT 编译做准备。
4. JIT:拼接模板,生成机器码,CPU 直接跑。

就像从“翻译官”升级到“同声传译”,最后再升级到“CPU 秒懂你的方言”。

虽然现在 Python JIT 还不算快,但它是个希望,是未来可能的突破口。养乌龟式写 Python 的我们,终于盼来了一点点赛博加速器。