別把 GIL 時代的思維帶進 Free-threaded Python：從 Rust 視角重新理解 Python 並行

從 PEP 703 (2023) 將 GIL 設定為可選、PEP 779 (2025) 把 free-threaded build 從實驗升級為 officially supported，到 PEP 803 (已 Accepted，目標 3.15) 為其定義 stable ABI，CPython 正在進行三十年來最大的並行模型轉變。 縱使這樣的改變令人感到興奮，但也帶來了不可避免的代價：長期由 GIL 隱性處理的執行緒安全責任，正被重新交還給開發者。 許多在 GIL 時代「能跑」的 Python 程式碼，在 free-threaded build 下會出現 race condition、資料損毀、或邏輯錯誤，具體例子包含 lazy initialization 模式、模組層級 cache、共享計數器 (counter += 1)，以及對「文件標明 not thread-safe 但實務上沒事」函式庫的依賴。

為什麼從 Rust 視角切入

面對多執行緒的挑戰，Rust 長期引以為傲的核心哲學正是「無畏並行」(Fearless Concurrency)。 以 Python 生態系中最主流的原生擴充框架 PyO3 為例，就能看出這項優勢如何大顯身手。 它從 Python 引入實驗性 free-threaded build 起便同步加入支援，並把 Rust 編譯期嚴格檢驗的 Send / Sync traits，直接對應到 Python 物件的執行緒安全契約上，穩穩接住了 free-threaded 拋回給開發者的安全責任。

這種從「依賴 GIL」轉向「擁抱型別安全」的典範轉移，也一路推動著 PyO3 的 API 演進：從 0.26 把 Python::with_gil 改名為 Python::attach、Python::allow_threads 改名為 Python::detach，將「鎖 GIL」的語意翻轉為「執行緒對直譯器的接入與退出」；0.28 進一步把模組預設值改為 free-thread-safe；到了 0.29 則實作 PEP 803 的 abi3t stable ABI，同時收掉實驗性的 3.13t 支援、專注於穩定的 3.14t+。

PyO3 正在系統性地將 GIL 時代的歷史包袱從 API 中清除，從用語、預設值到 ABI 的層層翻新透露出：free-threaded Python 真正改變的不只是直譯器，還有它要求每一位開發者具備的並行心智模型，而這條演化軌跡，正是這場轉換最早的可見證據。 好消息是，這套新的心智模型不必從零摸索，它剛好就是 Rust 型別系統一直以來強制我們想清楚的那一套。與其在多執行緒的深水區裡摸黑試錯，不如直接借用 Rust 的思維，為這場並行革命打下穩固的基礎。

演講中將呈現的具體範例

我設計了一個簡單的「紅包驗證任務」：對一批資料執行 CPU-bound 的驗證與統計，並實作了四個版本：純 Python (單/多執行緒)、PyO3 native 平行版 (轉為 Rust struct，detach 直譯器後用 rayon 運算)，以及 PyO3 interpreter-bound 平行版 (在平行區內 attach 狀態下呼叫 Python callback)。 此任務在 Python 3.14 free-threaded 環境下，透過 -X gil 開關做了 8 執行緒的對照實測，得到三個發現：

1. 純 Python 多執行緒：關閉 GIL 後，加速比從 1.05x 躍升至 5.10x，而且完全不用碰 Rust。
2. PyO3 native 平行版：無論 GIL 開關，速度幾乎沒有差別 (約 1.0x)。
3. PyO3 interpreter-bound 平行版：關閉 GIL 後獲得約 6.0x 的顯著加速。

這三個數字擺在一起，自然浮出兩個問題：為什麼 native 版拿掉 GIL 反而無感？interpreter-bound 版的紅利又是從哪裡來的？這條分界線正是 free-threading 真正解鎖了什麼的答案，也是演講要拆解的核心。 而範例中的共享計數器，正是開頭那個 counter += 1 災難的翻版。面對這種共享可變的累加器，Rust 在編譯期就直接拒絕，我會帶大家從編譯錯誤一路修到 AtomicU64，看 Rust 思維如何照亮 free-threaded Python 的盲點。

為什麼這場演講對不寫 PyO3 的人同樣重要

以最常見的 pandas 與 SQLAlchemy 來說，它們都已出現在社群的 free-threading 相容性追蹤清單中，但其官方文件裡的 thread-safety 警告依然有效。「套件支援 free-threading」屬於套件層相容性，由套件作者負責；「你的用法 thread-safe」屬於應用層責任，套件作者沒辦法替你決定怎麼用，本演講闡述的心智模型是應用層責任的思考工具，其中每個概念都將搭配一段純 Python（threading）對照程式碼，聽眾完全不碰 Rust 或 PyO3 也能立即用進自己的專案。

本演講不涵蓋的範圍

• Rust 語法教學（不需要 Rust 經驗即可理解全部內容）
• PyO3 專案的建置與部署細節
• CPython 內部實作（free-threaded GC、reference counting 機制等）
• Polars、Pydantic 等基於 PyO3 的工具的使用指南

參考資料

• PEP 703 – Making the Global Interpreter Lock Optional in CPython
• PEP 779 – Criteria for supported status for free-threaded Python
• PEP 803 – Stable ABI for Free-Threaded Builds
• PyO3 官方 Free-threaded Python 指南
• Python 社群維護的 Porting Guide
• py-free-threading 套件相容性追蹤表
• Python 3.14 Free-threading HOWTO
• pandas 官方對 thread-safety 的說明