Python free-threaded 构建中 C 扩展如何声明线程安全状态
Python 的 free-threaded 构建并不等于“把 GIL 关掉,C 扩展就自动线程安全”。从 Python 3.13 开始,CPython 支持禁用 GIL 的构建;但扩展必须显式声明自己支持这种构建,否则导入时可能重新启用 GIL。真正要检查的是三件事:构建是否带有 free-threading 能力、模块初始化采用哪种方式、原来由 GIL 掩盖的共享状态是否已经有自己的同步。
最小可行做法是:用Py_GIL_DISABLED判断 C 编译分支;多阶段初始化添加Py_mod_gil,单阶段初始化在模块创建成功后调用PyUnstable_Module_SetGIL();然后逐项清理借用引用、PyDict_Next()、全局缓存和其他内部状态。
先确认构建能力,再声明模块支持
不要只用运行时的“当前 GIL 是否启用”来决定扩展是否兼容。C 代码里,free-threaded 构建会定义 Py_GIL_DISABLED;Python 侧可以用 sysconfig.get_config_var("Py_GIL_DISABLED") 判断构建能力,sys._is_gil_enabled() 则回答当前进程的 GIL 状态。
#include
static int extension_build_supports_free_threading(void) {
#ifdef Py_GIL_DISABLED
/* 这个分支表示头文件对应的构建支持 free-threading。 */
return 1;
#else
/* 普通构建未定义该宏,不代表扩展本身不能继续编译。 */
return 0;
#endif
}
这只是编译目标判断,不是线程安全证明。Windows 从源码构建扩展时还要留意官方文档提到的宏定义限制;发布测试则应把普通解释器和 free-threaded 解释器分开跑。

多阶段初始化用 Py_mod_gil 明确表达
如果扩展使用 PyModuleDef_Slot 的多阶段初始化,应在模块定义的 slot 数组中加入 Py_mod_gil。兼容旧版 CPython 时,用 PY_VERSION_HEX 保护新 slot,避免旧头文件无法识别它。
static PyModuleDef_Slot module_slots[] = {
/* 其他多阶段初始化 slot 放在这里。 */
#if PY_VERSION_HEX >= 0x030D0000
/* 告诉 free-threaded 构建:本扩展不依赖 GIL。 */
{Py_mod_gil, Py_MOD_GIL_NOT_USED},
#endif
{0, NULL}
};
这里的声明只适用于你已经完成线程安全改造的扩展。若仍有未经保护的静态缓存,添加 slot 反而会把隐藏问题暴露给真正的并行执行,因此应把声明和并发测试作为同一次改动。
单阶段初始化用 PyUnstable_Module_SetGIL
仍使用 PyModule_Create() 的单阶段扩展,做法不同:先检查返回值,再在 Py_GIL_DISABLED 条件下调用 PyUnstable_Module_SetGIL(m, Py_MOD_GIL_NOT_USED)。该函数只在 free-threaded 构建中提供,宏保护不能省略。
static PyModuleDef moduledef = {
PyModuleDef_HEAD_INIT,
"sample_ext",
"A small extension module.",
-1,
NULL
};
PyMODINIT_FUNC PyInit_sample_ext(void) {
PyObject *m = PyModule_Create(&moduledef);
if (m == NULL) {
/* 创建失败时把 NULL 交给 CPython 处理。 */
return NULL;
}
#ifdef Py_GIL_DISABLED
/* 仅在支持该 API 的构建中声明不使用 GIL。 */
if (PyUnstable_Module_SetGIL(m, Py_MOD_GIL_NOT_USED)
两种初始化方式不能混写成“看到宏就统一调用”。迁移时先确认模块定义方式,再选择 slot 或初始化函数中的声明点;这也便于为旧 Python 版本保留同一份源码。
把容器访问和扩展内部状态分开保护
free-threaded CPython 会为部分内置容器提供内部锁,但这不是扩展业务状态的通用锁。官方文档特别指出,PyDict_Next() 不会自动锁字典;如果字典可能被并发修改,应使用临界区。借用引用也要重新审视,例如可修改列表上的 PyList_GetItem() 应优先改为返回强引用的 PyList_GetItemRef()。
static int count_entries(PyObject *dict) {
PyObject *key = NULL;
PyObject *value = NULL;
Py_ssize_t position = 0;
int count = 0;
/* PyDict_Next 不自行加锁,遍历期间保护可能变化的字典。 */
Py_BEGIN_CRITICAL_SECTION(dict);
while (PyDict_Next(dict, &position, &key, &value)) {
count++;
}
Py_END_CRITICAL_SECTION();
return count;
}
临界区适合围绕 Python 对象访问;扩展自己的缓存、全局状态或 C 结构体字段,则应使用扩展锁、原子操作或 thread_local。不要因为 PyList_Append() 有内部保护,就推断“追加后更新全局计数”也是原子的。

构建产物和兼容边界怎么落地
free-threaded 扩展需要针对该构建单独编译,相关 wheel、共享库和二进制使用 t 后缀,例如 Python 3.14 的 python3.14t。不要把普通构建的 wheel 当作 free-threaded wheel 复用。还要注意:当前 free-threaded 构建不支持 Limited C API 或 stable ABI,因此启用 py_limited_api=True 的 setuptools 配置需要按 Py_GIL_DISABLED 选择性关闭。
| 检查项 | 应看到的结果 | 常见误区 |
|---|---|---|
| 构建能力 | Py_GIL_DISABLED=1 或 C 宏已定义 | 把当前 GIL 状态当成构建能力 |
| 初始化声明 | 多阶段有 Py_mod_gil,单阶段调用设置函数 | 两种方式混用或漏掉版本保护 |
| 共享状态 | 容器访问、借用引用、缓存分别有保护 | 把 CPython 内部锁当成业务锁 |
| 发布矩阵 | free-threaded 产物带 t 后缀 | 沿用 stable ABI 的单一 wheel |
常见问题
声明了 Py_MOD_GIL_NOT_USED 就一定能并行加速吗?
不一定。声明只告诉解释器扩展不依赖 GIL,速度仍取决于工作负载、锁竞争、内存分配和是否真的存在可并行的 C 工作。
普通构建还能使用这份源码吗?
可以。用 PY_VERSION_HEX 和 Py_GIL_DISABLED 保护 free-threaded 专用 API,普通构建会跳过这些分支;但仍需分别编译和测试两套产物。
参考:Python support for free threading;C API Extension Support for Free Threading。
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