一个不解之谜

  一段代码

def CountDown(n):
while n > 0:
n -= 1 # CountDown(100000000)
#==8秒 from threading import Thread n = 100000000 t1 = Thread(target=CountDown, args=[n // 2])
t2 = Thread(target=CountDown, args=[n // 2])
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
#==9s
  可以看出,多线程并没有让上面代码变得更快,这是Python的问题?
  Python的线程,的的确确封装了底层操作系统线程。在Linux系统里是Pthread(全称为POSIXThread),而在Windows系统里是WindowsThread。

为什么有GIL

  GIL,是最流行的 Python 解释器 CPython 中的一个技术术语。它的意思是全局解释器锁,本质上是类似操作系统的 Mutex。每一个 Python 线程,在 CPython 解释器中执行时,都会先锁住自己的线程,阻止别的线程执行。CPython 会做一些小把戏,轮流执行 Python 线程。

  所以说,CPython 引进 GIL 其实主要就是这么两个原因:
  一是设计者为了规避类似于内存管理这样的复杂的竞争风险问题(race condition);
  二是因为 CPython 大量使用 C 语言库,但大部分 C 语言库都不是原生线程安全的(线程安全会降低性能和增加复杂度)。

GIL 是如何工作的?

  如图,Thread 1、2、3 轮流执行,每一个线程在开始执行时,都会锁住 GIL,以阻止别的线程执行;同样的,每一个线程执行完一段后,会释放 GIL,以允许别的线程开始利用资源。

  

  

  CPython还有check interval机制。早期的 Python 是 100 个 ticks,大致对应了 1000 个 bytecodes;而 Python 3 以后,interval 是 15 毫秒。
for (;;) {
if (--ticker < 0) {
ticker = check_interval; /* Give another thread a chance */
PyThread_release_lock(interpreter_lock); /* Other threads may run now */ PyThread_acquire_lock(interpreter_lock, 1);
} bytecode = *next_instr++;
switch (bytecode) {
/* execute the next instruction ... */
}
}
  从这段代码中,我们可以看到,每个 Python 线程都会先检查 ticker 计数。只有在 ticker 大于 0 的情况下,线程才会去执行自己的 bytecode。

Python 的线程安全

  GIL 的设计,主要是为了方便 CPython 解释器层面的编写者,而不是 Python 应用层面的程序员。

  作为 Python 的使用者,我们还是需要 lock 等工具,来确保线程安全。比如下面的这个例子:

n = 0
lock = threading.Lock() def foo():
global n
with lock:
n += 1

如何绕过 GIL?

  事实上,很多高性能应用场景都已经有大量的 C 实现的 Python 库,例如 NumPy 的矩阵运算,就都是通过 C 来实现的,并不受 GIL 影响。 所以,大部分应用情况下,你并不需要过多考虑 GIL。因为如果多线程计算成为性能瓶颈,往往已经有 Python 库来解决这个问题了。

  总的来说,绕过 GIL 的大致思路有这么两种就够了:
  1. 绕过 CPython,使用 JPython(Java 实现的 Python 解释器)等别的实现;
  2. 把关键性能代码,放到别的语言(一般是 C++)中实现。

参考

  极客时间《Python核心技术实战》专栏

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