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Poor thread scaling when constructing instances or accessing attributes

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interpreter-core performance topic-free-threading type-bug
Lenguaje dominante
Python
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Descripción

Bug report

Remaining scaling bugs
  • dataclass
  • namedtuple
  • enum
Bug description:

When constructing dataclass or NamedTuple instances on multiple threads (on a free threading build), or accessing enum class attributes, performance doesn't scale when using multiple threads.

Regular class example (scales well):

# b_regular_class.py
from threading import Thread
from time import time
import sys

class Foo:
    def __init__(self, x):
        self.x = x

niter = 5 * 1000 * 1000

def benchmark(n):
    for i in range(n):
        Foo(x=1)

for nth in (1, 4):
    t0 = time()
    threads = [Thread(target=benchmark, args=(niter,)) for _ in range(nth)]
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print(f"{nth=} {(time() - t0) / nth}")

Dataclass example (doesn't scale well):

# b_dataclass.py
from threading import Thread
from dataclasses import dataclass
from time import time
import sys

@dataclass
class Foo:
    x: int

niter = 5 * 1000 * 1000

def benchmark(n):
    for i in range(n):
        Foo(x=1)

for nth in (1, 4):
    t0 = time()
    threads = [Thread(target=benchmark, args=(niter,)) for _ in range(nth)]
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print(f"{nth=} {(time() - t0) / nth}")

Named tuple example (doesn't scale well):

# b_namedtuple.py
from threading import Thread
from typing import NamedTuple
from time import time
import sys

class Foo(NamedTuple):
    x: int

niter = 5 * 1000 * 1000

def benchmark(n):
    for i in range(n):
        Foo(x=1)

for nth in (1, 4):
    t0 = time()
    threads = [Thread(target=benchmark, args=(niter,)) for _ in range(nth)]
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print(f"{nth=} {(time() - t0) / nth}")

Enum example (doesn't scale well):

# b_enum.py
from threading import Thread
from time import time
from enum import Enum
import sys

class Foo(Enum):
    X = 1
    Y = 2

niter = 5 * 1000 * 1000

def benchmark(n):
    for i in range(n):
        Foo.X
        Foo.Y.value

for nth in (1, 4):
    t0 = time()
    threads = [Thread(target=benchmark, args=(niter,)) for _ in range(nth)]
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print(f"{nth=} {(time() - t0) / nth}")

Results on recent main branch (running on an EC2 instance):

(cpython-dev) jukka@jukka-coder-dbx free-threading-benchmarks $ py b_regular_class.py
nth=1 1.1085155010223389
nth=4 0.2796591520309448
(cpython-dev) jukka@jukka-coder-dbx free-threading-benchmarks $ py b_dataclass.py
nth=1 1.1910037994384766
nth=4 1.0931583642959595
(cpython-dev) jukka@jukka-coder-dbx free-threading-benchmarks $ py b_namedtuple.py
nth=1 1.5688557624816895
nth=4 2.0257126092910767
(cpython-dev) jukka@jukka-coder-dbx free-threading-benchmarks $ py b_enum.py
nth=1 0.9439797401428223
nth=4 2.272495985031128

The expected behavior is that when using 4 threads (nth=4), the elapsed time per benchmark iteration (the second printed value) goes down significantly compared to when using a single thread (nth=1), which happens with the first benchmark (b_regular_class.py) but not the others.

cc @colesbury (we discussed this at CPython Core Dev Sprint in person)

CPython versions tested on:

CPython main branch

Operating systems tested on:

Linux

Linked PRs
  • gh-141596
  • gh-141603
  • gh-141750
  • gh-144332
  • gh-144406
  • gh-144407
  • gh-144977
  • gh-155876

Guía de contribución

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Primeros pasos

  1. Lee el issue completo y luego la guía de contribución del proyecto.
  2. Comenta en el issue que vas a ocuparte — evita que dos personas hagan lo mismo.
  3. Haz un fork del repositorio y trabaja en una rama.
  4. Abre un pull request que haga referencia al número del issue.

Línea de trabajo

Comienza ejecutando los cuatro scripts de benchmark mencionados en el informe en una compilación free-threading de CPython main y compara sus tiempos con uno y con cuatro hilos. Revisa las PR enlazadas gh-141596, gh-141603, gh-141750, gh-144332, gh-144406, gh-144407 y gh-144977 para entender el trabajo que ya está en curso. Se considera terminado cuando las operaciones de dataclass, NamedTuple y enum escalan de forma comparable al benchmark de la clase normal.

Escrito por el modelo de indexación a partir del texto del issue.

Evaluación

Stack tecnológico
python
Área
performance
Tipo de issue
Error
Dificultad
5/5
Tiempo estimado
Más de una semana
Estado de actividad
Estancado
Claridad
Bastante claro
Aptitud para principiantes
25/100

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