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Python 2 vs Python 3，究竟誰(shuí)是性能之王？前段時(shí)間，Hackermoon 上一位叫 Anthony Shaw 的作者為我們做了一些測試，最終得出結論，雖然 Python 2 在加密和啟動(dòng)時(shí)間測試過(guò)程中，比 Python 3 的速度更勝一籌，但整體而言，Python 3 更快。而這是否就意味著(zhù)我們還是將項目代碼遷移到 Python 3.0 的好？接下來(lái)，本文來(lái)自全球著(zhù)名的桌面應用之一的 Dropbox 將分享他們要棄用 Python 2.0 的真實(shí)原因，以及如何將百萬(wàn)行的代碼成功遷移至 Python 3。

Dropbox 是世界上流行的桌面應用之一，你可以安裝在 Windows、macOS 和部分的 Linux 發(fā)行版上。但你可能不知道，這個(gè)應用大部分是用 Python 寫(xiě)的。實(shí)際上，Drew 給 Dropbox 寫(xiě)下的第一行代碼就是用的 Windows 版 Python，用的是老牌的 pywin32 等庫。

雖然我們靠著(zhù) Python 2 支撐了這么多年（我們用過(guò)的最新版本是 Python 2.7），但我們從 2015 年就開(kāi)始向 Python 3 轉換了。今天我們終于完成了轉換，你現在再裝 Dropbox 的話(huà)，那么它用的是 Dropbox 定制版本的 Python 3.5。本文將介紹這次史無(wú)前例的 Python 3 轉換的計劃、執行和發(fā)布過(guò)程。

為什么選擇 Python 3？

Python 3 的接受度在 Python 社區一直是熱門(mén)話(huà)題?，F在雖然 Python 3 已經(jīng)廣為接受（http://py3readiness.org/），一些非常流行的項目如 Django 甚至完全放棄了 Python 2 的支持，但這個(gè)話(huà)題的熱度依然存在。對于我們來(lái)說(shuō)，影響我們決定進(jìn)行轉換的幾個(gè)關(guān)鍵因素有：

引人入勝的新功能

Python 3 的創(chuàng )新十分迅速。除了一長(cháng)列（http://whypy3.com/）正常的改進(jìn)（如 str 和 bytes 的討論），還有幾個(gè)功能吸引了我們的眼球：

• 類(lèi)型標注語(yǔ)法：我們的代碼量非常大，所以類(lèi)型標注對于開(kāi)發(fā)的效率非常重要。在 Dropbox 我們很喜歡 MyPy（http://mypy-lang.org/），因此原生的類(lèi)型標注支持對我們很有吸引力。
• 并行函數語(yǔ)法：許多功能都極度依賴(lài)線(xiàn)程和消息傳遞，我們采用的是 Actor 模式，使用了 Future 模塊。而 asyncio 項目及其 async/await 語(yǔ)法有時(shí)能避免回調函數，從而獲得更干凈的代碼。

過(guò)老的工具鏈

隨著(zhù) Python 2 日久年深，最初適合部署的工具鏈也大部分過(guò)時(shí)了。由于這些因素，繼續使用 Python 2 會(huì )帶來(lái)一系列的維護負擔：

• 過(guò)老的編譯器和運行時(shí)使得我無(wú)法們升級一些重要更新。
• 例如，我們在 Windows 和 Linux 上使用 Qt，而最新版本的 Qt 包含了 Chromium（通過(guò) QtWebEngine 實(shí)現），因此需要更現代的編譯器。
• 我們與操作系統的集成越來(lái)越深，而無(wú)法使用新版本的工具鏈，導致使用新版 API 的成本增大。
• 例如，理論上 Python 2 依然需要 Visual Studio 2008 （http://stevedower.id.au/blog/building-for-python-3-5/）。但這個(gè)版本微軟已經(jīng)不再支持了，也與 Windows 10 SDK 不兼容。

凍結和腳本

當初，我們依靠“凍結”腳本為我們支持的每個(gè)平臺創(chuàng )建原生應用程序。但是，我們并沒(méi)有直接使用原生的工具鏈，如 macOS 的 Xcode，而是將創(chuàng )建各個(gè)平臺上的二進(jìn)制文件的任務(wù)交給其他程序去做，Windows 下是 py2exe，macOS 下是 py2app，Linux 下是 bbfreeze。這個(gè)完全面向 Python 的構建系統收到了 distutils 的啟發(fā)，因為我們的應用最初只不過(guò)是個(gè) Python 包，所以只需要一個(gè)類(lèi)似于 setup.py 的腳本來(lái)構建。

隨著(zhù)時(shí)間的流逝，我們的代碼量越來(lái)越大?，F在，我們的開(kāi)發(fā)已經(jīng)不僅僅使用 Python 開(kāi)發(fā)了。實(shí)際上，我們的代碼現在由 TypeScript/HTML、Rust 和Python 混合組成，某些平臺上還用了 Objective-C 和 C++。為支持所有組件，setup.py 腳本（內部的名字為 build-all.py）越來(lái)越大，越來(lái)越難以管理。

導火索就是我們與各個(gè)操作系統集成的方式。首先，我們越來(lái)越多地引入高級的 OS 擴展，如 Smart Sync 的內核組件等，這些組件不能，通常也不會(huì )使用 Python 編寫(xiě)。其次，像微軟和蘋(píng)果等供應商對部署應用提出了新的需求，因此經(jīng)常需要用到新的、更復雜的工具，這些工具經(jīng)常是這些供應商獨有的（比如代碼簽名等）。

例如在 macOS 上，10.10 版本引入了新的應用擴展以便與 Finder 進(jìn)行集成，就是FinderSync（https://developer.apple.com/library/archive/documentation/General/Conceptual/ExtensibilityPG/Finder.html）。它并不只是個(gè) API，而是個(gè)完整的應用程序包（.appex），有自己的生存中崛起規則（即它由 OS 啟動(dòng)），而且對于進(jìn)程間通信的要求更嚴格。換句話(huà)說(shuō)，使用 Xcode 就很容易集成這些擴展，但 py2app 根本不支持它們。

因此，我們面臨著(zhù)兩個(gè)問(wèn)題：

• 由于我們使用 Python 2，因此無(wú)法使用新的工具鏈，所以集成新的 API 的代價(jià)更高（比如使用Windows 10的Windows Runtime）。
• 我們的凍結腳本使得部署原生代碼的代價(jià)更高（例如在 macOS 上構建應用擴展）。

當我們計劃轉換成 Python 3 時(shí)，我們面臨著(zhù)兩個(gè)選擇：一是改進(jìn)凍結腳本中的依賴(lài)，以支持 Python 3（從而支持現代編譯器）和平臺相關(guān)的功能（如應用程序擴展），二是不再使用以 Python 為中心的構建系統，完全放棄凍結腳本。我們選擇了后者。

關(guān)于 pyinstaller 的一點(diǎn)：我們認真地思考過(guò)在項目早期使用 pyinstaller，但當時(shí)它不支持 Python 3，而且更重要的是，它和其他凍結腳本有類(lèi)似的限制。不管怎樣，這個(gè)項目本身很不錯，我們只是覺(jué)得不適合我們而已。

嵌入 Python

為了解決構建和部署的問(wèn)題，我們決定使用新的架構，在原生應用中嵌入 Python 運行時(shí)。我們不再將構建過(guò)程交給凍結腳本處理，而是使用各個(gè)平臺自己的工具鏈（比如 Windows 下使用 Visutal Studio）來(lái)構建各種入口點(diǎn)。進(jìn)一步，我們將 Python 代碼抽象到一個(gè)庫中，從而為多種語(yǔ)言“混合”的方式提供更直接的支持。

這樣我們就可以直接使用各個(gè)平臺的 IDE 和工具鏈了（例如可以直接添加原生的構建目標，如 macOS 上的 FinderSync），同時(shí)保留使用 Python 編寫(xiě)大部分應用程序邏輯的能力。

我們最后采用了下面的結構：

• 原生入口點(diǎn)：這些與各個(gè)平臺的應用程序模型兼容。
• 其中包括應用程序擴展，如 Windows 下的 COM 組件和 macOS 下的應用程序擴展。
• 共享庫可以使用多種語(yǔ)言編寫(xiě)（包括 Python）。

表面上，這個(gè)應用能夠更接近平臺的要求，而在各個(gè)庫的背后，我們可以有更大的靈活性來(lái)選擇自己喜歡的語(yǔ)言和工具。

這種架構能提高模塊性，同時(shí)還帶來(lái)一個(gè)關(guān)鍵的副作用：現在可以同時(shí)部署 Python 2 庫和 Python 3 庫了。聯(lián)系到 Python 3 轉換工作，我們的轉換過(guò)程就需要兩步：第一，給 Python 2 實(shí)現新的架構；第二，利用它將 Python 2 替換成 Python 3。

第一步：“解凍”

第一步就是停止使用凍結腳本。目前，bbfreeze 和 pywin32 都不支持 Python 3，所以我們別無(wú)選擇。我們從 2016 年開(kāi)始逐步進(jìn)行這項改變。

首先，我們將配置 Python 運行時(shí)的工作抽象化，將 Python 的東西放到一個(gè)新的庫中，名為 libdropbox_bootstrap。這個(gè)庫會(huì )代替一些凍結腳本提供的功能。盡管我們不再需要這些腳本，但它們仍然提供了一些運行 Python 代碼所需的最基本的東西：

打包代碼以便在設備上執行

這樣我們才能發(fā)布編譯好的 Python 字節碼，而不用發(fā)布 Python 源代碼。由于以前的每個(gè)凍結腳本在各個(gè)平臺上有各自的格式，我們利用這個(gè)機會(huì )引入了一種新的格式，用于在所有平臺上打包代碼使用：

• 所有 Python 模塊的 Python 的字節碼 .pyc 都放在單一的 zip 文檔中（如 python-packages-35.zip）。
• 原生擴展. pyd / .so 由于是平臺相關(guān)的原生動(dòng)態(tài)鏈接庫，他們必須安裝在特定的位置，保證應用程序能毫無(wú)障礙地加載。
• Windows 下，這些文件與入口點(diǎn)（即 Dropbox.exe）放在一起。
• 打包通過(guò)優(yōu)秀的 modulegraph（作者是 py2app 和 PyObjC 的作者 Ronald Oussoren）實(shí)現。

隔離 Python 解釋器

這樣能阻止我們的應用程序在設備上運行其他的 Python 源代碼。有意思的是，Python 3 使得這種嵌入變得容易得多了。例如，新的 Py_SetPath 函數（https://docs.python.org/3/c-api/init.html#c.Py_SetPath）能夠讓我們將代碼隔離，不需要再像 Python 2 時(shí)代在凍結腳本中進(jìn)行某種復雜的隔離操作了。為了在 Python 2 中支持這一功能，我們在定制版本的 Python 2 中向下移植了這一功能。

其次，我們使用了平臺相關(guān)的入口點(diǎn)Dropbox.exe、Dropbox.app和dropboxd 來(lái)使用這個(gè)庫。這些入口點(diǎn)都是用各自平臺的“標準”工具編譯的，即 Visual Studio、Xcode 和 make，沒(méi)有使用 distutils。這樣我們就可以去掉凍結腳本帶來(lái)的大量修補工作了。例如，在 Windows 下，這一步大大簡(jiǎn)化，只需為 Dropbox.exe 配置 DEP/NX 即可，就能將應用程序裝箱單和資源嵌入了。

關(guān)于 Windows 的一點(diǎn)說(shuō)明：現在，繼續使用 Visual Studio 2008 的代價(jià)已經(jīng)非常高了。為了正確地轉換，我們需要一個(gè)能同時(shí)支持 Python 2 和 Python 3 的版本，最終我們采用了 Visual Studio 2013。為支持它，我們進(jìn)一步修改了定制版本的 Python 2，使之能正確在 Visual Studio 2013 下編譯。這些修改的代價(jià)進(jìn)一步證明，我們轉換到 Python 3 的決定是正確的。

第二步：混合

成功地轉換如此之大（包含大約 100 萬(wàn)行 Python 代碼）、安裝量如此之高（大約有幾億安裝）的應用程序需要逐步進(jìn)行。我們不能簡(jiǎn)單地在某次發(fā)布中“改變一個(gè)開(kāi)關(guān)”來(lái)實(shí)現轉換，特別是我們的發(fā)布過(guò)程要求每?jì)蓚€(gè)星期給所有用戶(hù)發(fā)布一個(gè)新版本。因此，必須找到一種辦法，將 Python 3 的部分轉換發(fā)布給一小部分用戶(hù)，以便檢測并修改 Bug。

為達到這一點(diǎn)，我們決定實(shí)現用 Python 2 和 Python 3 同時(shí)編譯 Dropbox。這要求做到以下兩點(diǎn)：

• 能夠同時(shí)發(fā)布 Python 2 和 Python 3 的“包”，包括字節碼和擴展，兩者必須能夠并存。
• 在轉換過(guò)程中強制使用混合的 Python 2 / 3 語(yǔ)法。

我們采用上一步引入的嵌入式設計來(lái)實(shí)現：將 Python 代碼抽象到庫和包中，就能很容易地引入另一個(gè)版本。這樣入口點(diǎn)程序（即 Dropbox.exe）就可以在初始化的早期控制選擇哪個(gè) Python 版本了。

我們通過(guò)手動(dòng)連接入口點(diǎn)程序到 libdropbox_bootstrap 來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。例如在 macOS 和 Linux 下，我們在 Python 版本確定之后使用 dlopen/dlsym 來(lái)加載。在 Windows 下，使用 LoadLibrary 和 GetProcAddress。

對 Python 解釋器的選擇必須在 Python 加載之前完成，因此為了使之更順暢，我們實(shí)現了命令行參數 /py3 用于開(kāi)發(fā)，和一個(gè)保存在硬盤(pán)上的永久設置，以便通過(guò)我們的功能切換系統Stormcrow（https://blogs.dropbox.com/tech/2017/03/introducing-stormcrow/）來(lái)控制。

有了這些，我們就能在啟動(dòng) Dropbox 客戶(hù)端時(shí)動(dòng)態(tài)選擇 Python 版本了。這樣就可以在 CI 基礎設施中設置額外的任務(wù)來(lái)針對 Python 3 運行單元測試和集成測試。我們還在提交隊列中增加了自動(dòng)檢查，以防止提交會(huì )破壞 Python 3 支持的改動(dòng)。

通過(guò)自動(dòng)測試確保沒(méi)問(wèn)題之后，我們就開(kāi)始將 Python 3 的改動(dòng)推送給真正的用戶(hù)。我們通過(guò)遠程的功能開(kāi)關(guān)來(lái)將新功能逐漸開(kāi)放給用戶(hù)。首先對 Dropbox 推送改動(dòng)，這樣我們就能找出并改正大部分主要的底層問(wèn)題。然后將范圍擴大到 Beta 用戶(hù)，他們的 OS 版本問(wèn)題更加蕪雜。然后最終擴展到穩定版。7 個(gè)月之后，所有的 Dropbox 都已經(jīng)在運行 Python 3 了。為了盡可能提高質(zhì)量，我們要求所有與轉換相關(guān)的 bug 必須進(jìn)行深入調查并徹底修復，才能擴大推送的范圍。

逐漸推送到 Beta 版

逐漸推送到穩定版

到了版本 52 時(shí)，這個(gè)過(guò)程終于完成了。我們可以完全從 Dropbox 的桌面客戶(hù)端中刪掉 Python 2 了。

寫(xiě)在最后

一篇文章很難完整概括我們將代碼遷移至 Python 3.0 的完整過(guò)程，這其中還有許多可以討論的東西。接下來(lái)，我們還會(huì )在以后的文章中討論：

• 我們怎樣在 Windows 和 macOS 上報告崩潰，并利用這些信息調試原生和 Python 代碼；
• 怎樣維護 Python 2 和 Python 3 混合代碼，用到了哪些工具？
• 整個(gè) Python 3 轉換過(guò)程中最值得討論的 Bug 和故事。

敬請期待，也歡迎在下方留言分享你對遷移過(guò)程的看法。

原文：https://blogs.dropbox.com/tech/2018/09/how-we-rolled-out-one-of-the-largest-python-3-migrations-ever/作者：Max Bélanger和Damien DeVille譯者：彎月，責編：屠敏

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