伟大的GIL

GIL

首先需要明确的一点是GIL并不是Python的特性，它是在实现Python解析器(CPython)时所引入的一个概念。就好比C++是一套语言（语法）标准，但是可以用不同的编译器来编译成可执行代码。有名的编译器例如GCC，INTEL C++，Visual C++等。Python也一样，同样一段代码可以通过CPython，PyPy，Psyco等不同的Python执行环境来执行。像其中的JPython就没有GIL。然而因为CPython是大部分环境下默认的Python执行环境。所以在很多人的概念里CPython就是Python，也就想当然的把GIL归结为Python语言的缺陷。所以这里要先明确一点：GIL并不是Python的特性，Python完全可以不依赖于GIL。

GIL存在的原因：

由于物理上得限制，各CPU厂商在核心频率上的比赛已经被多核所取代。为了更有效的利用多核处理理器的性能，就出现了多线程的编程方式，而随之带来的就是线程间数据一致性和状态同步的困难。即使在CPU内部的Cache也不例外，为了有效解决多份缓存之间的数据同步时各厂商花费了不少心思，也不可避免的带来了一定的性能损失。

Python当然也逃不开，为了利用多核，Python开始支持多线程。而解决多线程之间数据完整性和状态同步的最简单方法自然就是加锁。 于是有了GIL这把超级大锁，而当越来越多的代码库开发者接受了这种设定后，他们开始大量依赖这种特性（即默认python内部对象是thread-safe的，无需在实现时考虑额外的内存锁和同步操作）。

慢慢的这种实现方式被发现是蛋疼且低效的。但当大家试图去拆分和去除GIL的时候，发现大量库代码开发者已经重度依赖GIL而非常难以去除了。有多难？做个类比，像MySQL这样的“小项目”为了把Buffer Pool Mutex这把大锁拆分成各个小锁也花了从5.5到5.6再到5.7多个大版为期近5年的时间，本且仍在继续。MySQL这个背后有公司支持且有固定开发团队的产品走的如此艰难，那又更何况Python这样核心开发和代码贡献者高度社区化的团队呢？

所以简单的说GIL的存在更多的是历史原因。如果推到重来，多线程的问题依然还是要面对，但是至少会比目前GIL这种方式会更优雅。

GIL的影响：

在单核情况下，python 的GIL锁是完全没有问题的，但是有多个cpu的时候，对于一个进程，同一时间只有一个线程获得GIL锁，并将计算交给cpu执行，这就意味着双核cpu对于python来说完全没有用到。即对于计算密集形的并发使用多线程是不可选的。

#coding:utf8
from threading import Thread
import time

def counter():
    i = 0
    for _ in range(50000000):
        i = i + 1

    return True

def main():

    l=[]
    start_time = time.time()

    for i in range(2):

        t = Thread(target=counter)
        t.start()
        l.append(t)
        t.join()

    # for t in l:
    #     t.join()

    end_time = time.time()
    print("Total time: {}".format(end_time - start_time))

if __name__ == '__main__':
    main()

'''
py2.7:
     串行:25.4523348808s
     并发:31.4084379673s
py3.5:
     串行:8.62115597724914s
     并发:8.99609899520874s

'''

计算密集型

针对这种计算密集型的高并发，也有人给出了相应的解决办法，就是multiprocessing模块。

用multiprocessing替代Thread multiprocessing库的出现很大程度上是为了弥补thread库因为GIL而低效的缺陷。它完整的复制了一套thread所提供的接口方便迁移。唯一的不同就是它使用了多进程而不是多线程。每个进程有自己的独立的GIL，因此也不会出现进程之间的GIL争抢。

#coding:utf8
from multiprocessing import Process
import time

def counter():
    i = 0
    for _ in range(40000000):
        i = i + 1

    return True

def main():

    l=[]
    start_time = time.time()

    for _ in range(2):
        t=Process(target=counter)
        t.start()
        l.append(t)
        #t.join()

    for t in l:
       t.join()

    end_time = time.time()
    print("Total time: {}".format(end_time - start_time))

if __name__ == '__main__':
    main()

'''

py2.7:
     串行:6.1565990448 s
     并行:3.1639978885 s

py3.5:
     串行:6.556925058364868 s
     并发:3.5378448963165283 s

'''

优化

当然multiprocessing也不是万能良药。它的引入会增加程序实现时线程间数据通讯和同步的困难。就拿计数器来举例子，如果我们要多个线程累加同一个变量，对于thread来说，申明一个global变量，用thread.Lock的context包裹住三行就搞定了。而multiprocessing由于进程之间无法看到对方的数据，只能通过在主线程申明一个Queue，put再get或者用share memory的方法。这个额外的实现成本使得本来就非常痛苦的多线程程序编码，变得更加痛苦了。

总结：因为GIL的存在，只有IO Bound场景下得多线程会得到较好的性能 - 如果对并行计算性能较高的程序可以考虑把核心部分也成C模块，或者索性用其他语言实现 - GIL在较长一段时间内将会继续存在，但是会不断对其进行改进。

GIL就像是强奸，既然不能反抗，就尽情的享受吧。

同步锁（lock）：

import time
import threading

def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    #num-=1

    temp=num
    time.sleep(0.1)
    num =temp-1  # 对此公共变量进行-1操作

num = 100  #设定一个共享变量

thread_list = []

for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()

print('Result: ', num)

没有加锁

import threading

R=threading.Lock()

R.acquire()
'''
对公共数据的操作
'''
R.release()

死锁和递归锁：

是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

import threading
import time

mutexA = threading.Lock()
mutexB = threading.Lock()

class MyThread(threading.Thread):

    def __init__(self):
        threading.Thread.__init__(self)

    def run(self):
        self.fun1()
        self.fun2()

    def fun1(self):

        mutexA.acquire()  # 如果锁被占用,则阻塞在这里,等待锁的释放

        print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResA",time.time()))

        mutexB.acquire()
        print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResB",time.time()))
        mutexB.release()
        mutexA.release()

    def fun2(self):

        mutexB.acquire()
        print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResB",time.time()))
        time.sleep(0.2)

        mutexA.acquire()
        print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResA",time.time()))
        mutexA.release()

        mutexB.release()

if __name__ == "__main__":

    print("start---------------------------%s"%time.time())

    for i in range(0, 10):
        my_thread = MyThread()
        my_thread.start()

死锁

在Python中为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了可重入锁RLock。这个RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次require。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。上面的例子如果使用RLock代替Lock，则不会发生死锁。

mutex = threading.RLock()

event对象：

线程的一个关键特性是每个线程都是独立运行且状态不可预测。如果程序中的其他线程需要通过判断某个线程的状态来确定自己下一步的操作,这时线程同步问题就 会变得非常棘手。为了解决这些问题,我们需要使用threading库中的Event对象。 对象包含一个可由线程设置的信号标志,它允许线程等待某些事件的发生。在 初始情况下,Event对象中的信号标志被设置为假。如果有线程等待一个Event对象, 而这个Event对象的标志为假,那么这个线程将会被一直阻塞直至该标志为真。一个线程如果将一个Event对象的信号标志设置为真,它将唤醒所有等待这个Event对象的线程。如果一个线程等待一个已经被设置为真的Event对象,那么它将忽略这个事件, 继续执行。

event.isSet()：返回event的状态值；

event.wait()：如果 event.isSet()==False将阻塞线程；

event.set()： 设置event的状态值为True，所有阻塞池的线程激活进入就绪状态， 等待操作系统调度；

event.clear()：恢复event的状态值为False。

import threading
import time
import logging

logging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format='(%(threadName)-10s) %(message)s',)

def worker(event):
    logging.debug('Waiting for redis ready...')
    event.wait()
    logging.debug('redis ready, and connect to redis server and do some work [%s]', time.ctime())
    time.sleep(1)

def main():
    readis_ready = threading.Event()
    t1 = threading.Thread(target=worker, args=(readis_ready,), name='t1')
    t1.start()

    t2 = threading.Thread(target=worker, args=(readis_ready,), name='t2')
    t2.start()

    logging.debug('first of all, check redis server, make sure it is OK, and then trigger the redis ready event')
    time.sleep(3) # simulate the check progress
    readis_ready.set()

if __name__=="__main__":
    main()

event

hreading.Event的wait方法还接受一个超时参数，默认情况下如果事件一致没有发生，wait方法会一直阻塞下去，而加入这个超时参数之后，如果阻塞时间超过这个参数设定的值之后，wait方法会返回。对应于上面的应用场景，如果Redis服务器一致没有启动，我们希望子线程能够打印一些日志来不断地提醒我们当前没有一个可以连接的Redis服务，我们就可以通过设置这个超时参数来达成这样的目的：

def worker(event):
    while not event.is_set():
        logging.debug('Waiting for redis ready...')
        event.wait(2)
    logging.debug('redis ready, and connect to redis server and do some work [%s]', time.ctime())
    time.sleep(1)

信号量Semaphore：

Semaphore管理一个内置的计数器，
每当调用acquire()时内置计数器-1；
调用release() 时内置计数器+1；
计数器不能小于0；当计数器为0时，acquire()将阻塞线程直到其他线程调用release()。

import threading
import time

semaphore = threading.Semaphore(5)

def func():
    if semaphore.acquire():
        print (threading.currentThread().getName() + ' get semaphore')
        time.sleep(2)
        semaphore.release()

for i in range(20):
  t1 = threading.Thread(target=func)
  t1.start()

一次只能有5个进程获得信号量

队列queue：

'''

创建一个“队列”对象

import Queue
q = Queue.Queue(maxsize = 10)
Queue.Queue类即是一个队列的同步实现。队列长度可为无限或者有限。可通过Queue的构造函数的可选参数
maxsize来设定队列长度。如果maxsize小于1就表示队列长度无限。

将一个值放入队列中
q.put(10)
调用队列对象的put()方法在队尾插入一个项目。put()有两个参数，第一个item为必需的，为插入项目的值；
第二个block为可选参数，默认为
1。如果队列当前为空且block为1，put()方法就使调用线程暂停,直到空出一个数据单元。如果block为0，
put方法将引发Full异常。

将一个值从队列中取出
q.get()
调用队列对象的get()方法从队头删除并返回一个项目。可选参数为block，默认为True。如果队列为空且
block为True，get()就使调用线程暂停，直至有项目可用。如果队列为空且block为False，队列将引发Empty异常。

'''

'''
join() 阻塞进程，直到所有任务完成，需要配合另一个方法task_done。

    def join(self):
     with self.all_tasks_done:
      while self.unfinished_tasks:
       self.all_tasks_done.wait()

task_done() 表示某个任务完成。每一条get语句后需要一条task_done。

import queue
q = queue.Queue(5)
q.put(10)
q.put(20)
print(q.get())
q.task_done()
print(q.get())
q.task_done()

q.join()

print("ending!")
'''

'''

Python Queue模块有三种队列及构造函数: 

1、Python Queue模块的FIFO队列先进先出。  class queue.Queue(maxsize)
2、LIFO类似于堆，即先进后出。           class queue.LifoQueue(maxsize)
3、还有一种是优先级队列级别越低越先出来。 class queue.PriorityQueue(maxsize) 

import queue

#先进后出

q=queue.LifoQueue()

q.put(34)
q.put(56)
q.put(12)

#优先级
q=queue.PriorityQueue()
q.put([5,100])
q.put([7,200])
q.put([3,"hello"])
q.put([4,{"name":"alex"}])

while 1:
  data=q.get()
  print(data)

'''

multiprocessing模块：

由于GIL的存在，python中的多线程其实并不是真正的多线程，如果想要充分地使用多核CPU的资源，在python中大部分情况需要使用多进程。

# Process类调用

from multiprocessing import Process
import time
def f(name):

    print('hello', name,time.ctime())
    time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    p_list=[]
    for i in range(3):
        p = Process(target=f, args=('alvin:%s'%i,))
        p_list.append(p)
        p.start()
    for i in p_list:
        p.join()
    print('end')

# 继承Process类调用
from multiprocessing import Process
import time

class MyProcess(Process):
    def __init__(self):
        super(MyProcess, self).__init__()
        # self.name = name

    def run(self):

        print ('hello', self.name,time.ctime())
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    p_list=[]
    for i in range(3):
        p = MyProcess()
        p.start()
        p_list.append(p)

    for p in p_list:
        p.join()

    print('end')

进程调用

process类详解：

构造方法：

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])

　　group: 线程组，目前还没有实现，库引用中提示必须是None； 
　　target: 要执行的方法； 
　　name: 进程名； 
　　args/kwargs: 要传入方法的参数。

实例方法：

　　is_alive()：返回进程是否在运行。

　　join([timeout])：阻塞当前上下文环境的进程程，直到调用此方法的进程终止或到达指定的timeout（可选参数）。

　　start()：进程准备就绪，等待CPU调度

　　run()：strat()调用run方法，如果实例进程时未制定传入target，这star执行t默认run()方法。

　　terminate()：不管任务是否完成，立即停止工作进程

属性:

　　daemon：和线程的setDeamon功能一样

　　name：进程名字。

　　pid：进程号

from multiprocessing import Process
import os
import time
def info(name):

    print("name:",name)
    print('parent process:', os.getppid())
    print('process id:', os.getpid())
    print("------------------")
    time.sleep(1)

def foo(name):

    info(name)

if __name__ == '__main__':

    info('main process line')

    p1 = Process(target=info, args=('alvin',))
    p2 = Process(target=foo, args=('egon',))
    p1.start()
    p2.start()

    p1.join()
    p2.join()

    print("ending")

进程应用