【ITニュース解説】PythonのGILと3.13の実験的な新機能「free threading」を知る

ITニュース概要

Pythonには「GIL」という制約があり、複数CPUコアを同時に使う並列処理が苦手だった。Python 3.13で実験的に導入される新機能「free threading」は、このGILをなくし、CPU性能を最大限に活かす高速な処理を実現する。

ITニュース解説

近年のコンピュータは、一つのCPU内に複数の計算装置である「コア」を搭載するマルチコアが主流であり、その性能を最大限に引き出すためには、プログラムが複数の処理を同時に実行する「並列処理」の技術が不可欠である。しかし、人気のプログラミング言語であるPythonは、この並列処理において長年一つの大きな課題を抱えていた。その課題の核心にあり、Pythonの性能特性を長らく定義してきたのが「GIL（Global Interpreter Lock）」と呼ばれる仕組みである。GILとは、Pythonのプログラムを実行するPythonインタプリタが持つ、一種の大きなロック機構である。この仕組みにより、Pythonのプログラム内では、たとえ複数の処理単位である「スレッド」を作成したとしても、同時にPythonのコードを実行できるのは常に一つのスレッドだけに制限される。つまり、どれだけ多くのCPUコアが利用可能であっても、Pythonの処理自体は一つのコアでしか進められない状態が続いていた。これは特に、科学技術計算や大規模なデータ処理など、CPUの計算能力を多用する処理において、性能向上の大きな妨げとなっていた。一方で、GILが存在したことには理由がある。それは、メモリ管理を単純化し、複数のスレッドが同時に同じデータにアクセスして予期せぬ問題を引き起こすことを防ぐという、プログラムの安全性を確保する目的があった。このおかげで、C言語などで書かれた多くの拡張ライブラリが、複雑な排他制御を意識することなく比較的安全に開発できたという側面もある。 この長年の課題に大きな変革をもたらすのが、Python 3.13で実験的に導入される新機能「free threading」である。この機能は、Pythonをビルド（プログラムを実行可能な形式に変換する作業）する際に、GILを無効化する選択肢を提供するものである。その名の通り、GILという制約から解放されたスレッド実行を可能にする。free threadingを有効にしたPython環境では、これまで不可能だった、複数のスレッドがそれぞれ異なるCPUコア上で同時にPythonのコードを実行することが可能になる。これにより、マルチスレッドを活用して書かれたプログラムは、利用できるCPUコアの数に応じて性能を大幅に向上させることが期待できる。これは、Pythonがこれまで苦手としてきたCPU集約的な並列処理の分野において、その能力を飛躍的に高める可能性を秘めた、非常に重要な一歩と言える。 しかし、このfree threadingが「実験的」な機能として位置付けられていることには注意が必要である。その最大の理由は、後方互換性の問題である。Pythonの強力なエコシステムは、世界中の開発者によって作られた膨大な数のサードパーティ製ライブラリによって支えられている。これらのライブラリの中には、GILが存在することを前提として設計・実装されているものが少なくない。特に、性能向上のためにC言語で書かれた拡張モジュールなどは、複数のスレッドからの同時アクセスをGILが防いでくれるという暗黙の前提のもとで、データの安全性を保っている場合が多い。GILがなくなると、こうしたライブラリはスレッド間の競合によって意図しない動作をしたり、最悪の場合はデータを破壊したりする危険性がある。そのため、free threading環境で既存のプログラムを安全に動かすためには、開発者は自身が利用しているライブラリがGILなしの環境に対応しているか、すなわち「スレッドセーフ」であるかを慎重に確認する必要がある。ライブラリ側の対応が進むまでは、この新機能の恩恵を十分に受けることは難しいかもしれない。 結論として、Python 3.13のfree threadingは、Pythonの並列処理能力を根本から変え、その応用範囲をさらに広げる可能性を持つ画期的な試みである。この変革により、PythonはデータサイエンスやWeb開発といった既存の得意分野に加え、より高い計算性能が要求されるシステムにおいても主要な選択肢となるポテンシャルを持つことになる。ただし、その普及と安定化には、ライブラリ開発者を含むPythonコミュニティ全体の協力と時間が必要となるだろう。システム開発の現場を目指す者にとって、このPythonの大きな変化の動向を理解し、並列処理の基礎的な仕組みを学んでおくことは、将来の技術選定や問題解決において極めて重要となるはずだ。