GIL全局解释器锁、协程运用、IO模型

GIL全局解释器锁

一.什么是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。

Python代码的执行由Python 虚拟机(也叫解释器主循环，CPython版本)来控制，Python 在设计之初就考虑到要在解释器的主循环中，同时只有一个线程在执行，即在任意时刻，只有一个线程在解释器中运行。对Python 虚拟机的访问由全局解释器锁（GIL）来控制，正是这个锁能保证同一时刻只有一个线程在运行。

在多线程环境中，Python 虚拟机按以下方式执行：

a、设置 GIL；

b、切换到一个线程去运行；

c、运行指定数量的字节码指令或者线程主动让出控制(可以调用 time.sleep(0))；

d、把线程设置为睡眠状态；

e、解锁 GIL；

d、再次重复以上所有步骤。
在调用外部代码(如 C/C++扩展函数)的时候，GIL将会被锁定，直到这个函数结束为止(由于在这期间没有Python的字节码被运行，所以不会做线程切换)编写扩展的程序员可以主动解锁GIL。

在调用外部代码（如C/C++扩展函数）的时候，GIL 将会被锁定，直到这个函数结束为止（由于在这期间没有Python 的字节码被运行，所以不会做线程切换）。

拿到 CPU 权限 -> 拿到 GIL 解释器锁 -> 执行代码

二.为什么要有GIL

在Cpython中GIL全局解释器锁其实也是一把互斥锁，主要用于阻止同一个进程下的多个线程同时被运行(python的多线程无法使用多核优势)
GIL肯定存在于CPython解释器中 主要原因就在于Cpython解释器的内存管理不是线程安全的

内存管理>>>垃圾回收机制
引用计数
标记清除
分代回收

三.验证GIL的存在

from threading import Thread
import time
m = 100
def test():
    global m
    tmp = m
    tmp -= 1
    m = tmp
for i in range(100):
    t = Thread(target=test)
    t.start()
time.sleep(3)
print(m)  # 0
"""
同一个进程下的多个线程有GIL的存在不会出现并行的效果 并行的话结果为99 有GIL就是0
但是如果线程内有IO操作还是会造成数据的错乱 这个时候需要我们额外的添加互斥锁
"""

四.总结

1.在Cpython解释器中才有GIL的存在(GIL与解释器有关)
2.GIL本质上其实也是一把互斥锁(并发变串行 牺牲效率保证安全)
3.GIL的存在是由于Cpython解释器中的内存管理不是线程安全的
垃圾回收机制
4.在python中同一个进程下的多个线程无法实现并行(可以并发)

python多线程是否没用

一.多进程性能测试

计算密集型：多进程效率高

from multiprocessing import Process
from threading import Thread
import os,time
def work():
    res=0
    for i in range(100000000):
        res*=i

if __name__ == '__main__':
    l=[]
    print(os.cpu_count()) #本机为4核
    start=time.time()
    for i in range(4):
        p=Process(target=work) #耗时5s多
        p=Thread(target=work) #耗时18s多
        l.append(p)
        p.start()
    for p in l:
        p.join()
    stop=time.time()
    print('run time is %s' %(stop-start))

二.多线程性能测试

I/O密集型：多线程效率高

from multiprocessing import Process
from threading import Thread
import threading
import os,time
def work():
    time.sleep(2)
    print('===>')

if __name__ == '__main__':
    l=[]
    print(os.cpu_count()) #本机为4核
    start=time.time()
    for i in range(400):
        # p=Process(target=work) #耗时12s多,大部分时间耗费在创建进程上
        p=Thread(target=work) #耗时2s多
        l.append(p)
        p.start()
    for p in l:
        p.join()
    stop=time.time()
    print('run time is %s' %(stop-start))

三.总结

应用：

多线程用于IO密集型，如：socket，爬虫，web 多进程用于计算密集型，如：金融分析

GIL 解释器锁会在两种情况下释放

1.主动释放

：
遇到 IO 操作或者分配的 CPU 时间片到时间了。

注意，GIL存在的意义在于维护线程安全，x=10涉及到IO操作，如果也被当成普通的IO操作，主动交出GIL，那么一定会出现数据不安全问题，所以x=10一定是被区分对待了。

至于x=10如何实现的被区分对待，这其实很好理解，任何的io操作都是向操作系统发送系统调用，即调用操作系统的某一接口实现的，比如变量赋值操作肯定是调用了一种接口，文件读写操作肯定也是调用了一种接口，网络io也是调用了某一种接口，这就给区分对待提供了实现的依据，即变量赋值操作并不属于主动释放的范畴，这样GIL在线程安全方面才会有所作为

2.被动释放

python3.2之后定义了一个全局变量

/ Python/ceval.c /*
…
*static volatile int gil_drop_request = 0;

注意当只有一个线程时，该线程会一直运行，不会释放GIL，当有多个线程时

例如thead1，thread2

如果thread1一直没有主动释放掉GIL，那肯定不会让他一直运行下去啊

实际上在thread1运行的过程时，thread2就会执行一个cv_wait(gil,TIMEOUT)的函数

（默认TIMEOUT值为5milliseconds，但是可以修改），一旦到了时间，就会将全局变量

gil_drop_request = 1;，线程thread1就会被强制释放GIL，然后线程thread2开始运行并

返回一个ack给线程thread1，线程thread1开始调用cv_wait(gil,TIMEOUT

死锁现象

不要过多的用锁

from threading import Thread, Lock
import time

A = Lock()
B = Lock()

class MyThread(Thread):
    def run(self):
        self.func1()
        self.func2()

    def func1(self):
        A.acquire()
        print('%s 抢到了A锁' % self.name)  # current_thread().name  获取线程名称
        B.acquire()
        print('%s 抢到了B锁' % self.name)
        time.sleep(1)
        B.release()
        print('%s 释放了B锁' % self.name)
        A.release()
        print('%s 释放了A锁' % self.name)

    def func2(self):
        B.acquire()
        print('%s 抢到了B锁' % self.name)
        A.acquire()
        print('%s 抢到了A锁' % self.name)
        A.release()
        print('%s 释放了A锁' % self.name)
        B.release()
        print('%s 释放了B锁' % self.name)

for i in range(10):
    obj = MyThread()
    obj.start()

"""就算知道锁的特性及使用方式 也不要轻易的使用 因为容易产生死锁现象"""

进程池与线程池

池:为了保证计算机硬件安全的情况下提升程序的运行效率
硬件的发展更不上软件的更新速度

进程池:
提前开设好一堆进程，只需要朝池子中提交任务，任务会自动分配给空闲的进程处理，并且池子中的进程创建好了之后就不会更替

线程池:
提前开设好一堆线程，只需要朝池子中提交任务，任务会自动分配给空闲的线程处理，并且池子中的线程创建好了之后就不会更替

进程池与线程池基本使用

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, ProcessPoolExecutor
import time
import os

# 创建进程池与线程池
# pool = ThreadPoolExecutor(5)  # 可以自定义线程数 也可以采用默认策略
pool = ProcessPoolExecutor(5)  # 可以自定义线程数 也可以采用默认策略

# 定义一个任务
def task(n):
    print(n, os.getpid())
    time.sleep(2)
    return '>>>:%s' % n ** 2

# 定义一个回调函数:异步提交完之后有结果自动调用该函数
def call_back(a):
    print('异步回调函数:%s' % a.result())  # 对象点result才是上一个函数的返回结果

# 朝线程池中提交任务
# obj_list = []
for i in range(20):
    pool.submit(task, i).add_done_callback(call_back)  # 异步提交
    # obj_list.append(res)
"""
同步:提交完任务之后原地等待任务的返回结果 期间不做任何事
异步:提交完任务之后不愿地等待任务的返回结果 结果由异步回调机制自动反馈
"""
# 等待线程池中所有的任务执行完毕之后 再获取各自任务的结果
# pool.shutdown()
# for i in obj_list:
#     print(i.result())  # 获取任务的执行结果  同步

在windows电脑中如果是进程池的使用也需要在__main__下面

协程理论与实操

正常案例

进程
    资源单位
线程
    工作单位
协程
    是程序员单方面意淫出来的名词>>>:单线程下实现并发

# CPU被剥夺的条件
    1.程序长时间占用
    2.程序进入IO操作
# 并发
    切换+保存状态
    以往学习的是:多个任务(进程、线程)来回切换
# 欺骗CPU的行为
    单线程下我们如果能够自己检测IO操作并且自己实现代码层面的切换
  那么对于CPU而言我们这个程序就没有IO操作，CPU会尽可能的被占用

"""代码层面"""
第三方gevent模块:能够自主监测IO行为并切换
from gevent import monkey;monkey.patch_all()  # 固定代码格式加上之后才能检测所有的IO行为
from gevent import spawn
import time

def play(name):
    print('%s play 1' % name)
    time.sleep(5)
    print('%s play 2' % name)

def eat(name):
    print('%s eat 1' % name)
    time.sleep(3)
    print('%s eat 2' % name)

start = time.time()
# play('jason')  # 正常的同步调用
# eat('jason')  # 正常的同步调用    正常情况下两个函数运行完的时间为8s
g1 = spawn(play, 'jason')  # 异步提交
g2 = spawn(eat, 'jason')  # 异步提交
g1.join()
g2.join()  # 等待被监测的任务运行完毕
print('主', time.time() - start)  # 单线程下实现并发，提升效率  加协程后是5s

协程实现TCP服务端并发的效果

# 并发效果:一个服务端可以同时服务多个客户端
# 服务端
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
from gevent import spawn
import socket,random

def talk(sock):
    while True:
        try:
            data = sock.recv(1024)
            print(data.decode('utf8'))
            sock.send(data + '你好.'.encode('utf8'))
        except ConnectionResetError as e:
            print(e)
            break

def servers():
    server = socket.socket()
    server.bind(('127.0.0.1', 8080))
    server.listen(5)
    while True:
        print(random.randint(1,10))
        sock, addr = server.accept()
        spawn(talk, sock)
servers()
# 客户端开设几百个线程发消息即可
"""
最牛逼的情况:多进程下开设多线程 多线程下开设协程
    我们以后可能自己动手写的不多 一般都是使用别人封装好的模块或框架
"""

IO模型

IO模型简介

"""理论为主 代码实现大部分为伪代码(没有实际含义 仅为验证参考)"""
IO模型研究的主要是网络IO(linux系统)

# 基本关键字
  同步（synchronous）   大部分情况下会采用缩写的形式  sync
  异步（asynchronous） async
  阻塞（blocking）
  非阻塞（non-blocking）

# 研究的方向
Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：
    * blocking IO           阻塞IO
    * nonblocking IO        非阻塞IO
    * IO multiplexing       IO多路复用
    * signal driven IO      信号驱动IO
    * asynchronous IO           异步IO
    由signal driven IO（信号驱动IO）在实际中并不常用，所以主要介绍其余四种IO Model

四种IO模型简介

# 1.阻塞IO
    最为常见的一种IO模型 有两个等待的阶段(wait for data、copy data)
# 2.非阻塞IO
    系统调用阶段变为了非阻塞(轮训) 有一个等待的阶段(copy data)
    轮训的阶段是比较消耗资源的
# 3.多路复用IO
    利用select或者epoll来监管多个程序 一旦某个程序需要的数据存在于内存中了 那么立刻通知该程序去取即可
# 4.异步IO
    只需要发起一次系统调用 之后无需频繁发送 有结果并准备好之后会通过异步回调机制反馈给调用者