Python中的GIL機制原理分析

這篇文章主要講解了“Python中的GIL機制原理分析”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“Python中的GIL機制原理分析”吧！

摘要

什么是線程安全? 為什么python會使用GIL的機制?

在多核時代的到來的背景下,基于多線程來充分利用硬件的編程方法也不斷發展起來, 但是一旦 牽扯到多線程,就必然會涉及到一個概念,即 線程安全, 本文就主要談下筆者對線程安全的一些理解.

而Python為很多人所抱怨的一點就是GIL,那么python為什么選擇使用GIL, 本文也就這個問題進行一些討論.

引入

你的PC或者筆記本還是單核嗎? 如果是,那你已經out了.

隨著納米技術的不斷進步, 計算機芯片的工藝也在進步,但是已經很難在工藝上的改進來提高 運算速度而滿足 摩爾定理, 所以intel, amd相繼在采用橫向的擴展即增加更多的CPU, 從而雙核, 4核, N核不斷推出,于是我們進入了多核時代.

于是一個問題出現了, 多核時代的出現對于我們程序員而言意味著什么, 我們如何利用多核的優勢?

在回答這個問題之前,建議對 進程 和 線程 不熟悉的讀者可以先補下相關的知識.

當然方案是,可以采用 多進程, 也可以采用 多線程. 二者的最大區別就是, 是否共享資源, 后者是共享資源的,而前者是獨立的. 所以你也可能想起了google chrome為什么又開始使用獨立的進程 來作為每個tab服務了(不共享數據,意味著有更好的安全性).

相對于進程的輕型特征,多線程環境有個最大的問題就是 如何保證資源競爭,死鎖, 數據修改等.

于是,便有了 線程安全 (thread safety)的提出.

線程安全

Thread safety is a computer programming concept applicable in the context of multi-threaded programs.
A piece of code is thread-safe if it functions correctly during simultaneous execution by multiple threads.
In particular, it must satisfy the need for multiple threads to access the same shared data,
and the need for a shared piece of data to be accessed by only one thread at any given time.

上面是wikipedia中的解釋, 換句話說, 線程安全 是在多線程的環境下, 線程安全能夠保證多個線程同時執行時程序依舊運行正確, 而且要保證對于共享的數據,可以由多個線程存取,但是同一時刻只能有一個線程進行存取.

既然,多線程環境下必須存在資源的競爭,那么如何才能保證同一時刻只有一個線程對共享資源進行存取?

加鎖, 對, 加鎖可以保證存取操作的唯一性, 從而保證同一時刻只有一個線程對共享數據存取.

通常加鎖也有2種不同的粒度的鎖:

• fine-grained(所謂的細粒度), 那么程序員需要自行地加,解鎖來保證線程安全

• coarse-grained(所謂的粗粒度), 那么語言層面本身維護著一個全局的鎖機制,用來保證線程安全

前一種方式比較典型的是 java, Jython 等, 后一種方式比較典型的是 CPython (即Python).

前一種本文不進行討論, 具體可參考 java 中的多線程編程部分.

至于Python中的全局鎖機制,也即 GIL (Global Interpreter Lock), 下面主要進行一些討論.

GIL

什么是 GIL ? 答案可參考wikipedia中的說明, 簡單地說就是:

每一個interpreter進程,只能同時僅有一個線程來執行, 獲得相關的鎖, 存取相關的資源.

那么很容易就會發現,如果一個interpreter進程只能有一個線程來執行, 多線程的并發則成為不可能, 即使這幾個線程之間不存在資源的競爭.

從理論上講,我們要盡可能地使程序更加并行, 能夠充分利用多核的功能, 那么Python為什么要使用 全局的 GIL 來限制這種并行呢?

這個問題,其實已經得到了很多的討論, 不止十年, 可以參考下面的文檔:

反對 GIL 的聲音:

• An open letter to Guido van Rossum (這個文章值得一看,下面有很多的留言也值得一看)

認為 GIL 不能去除的:

• It isn't Easy to Remove the GIL (這個文章來自python作者 Guido, 他說明了什么要使用 GIL)

其它的一些討論很容易從Google來搜索得到, 譬如: GIL at google.

那么,簡單總結下雙方的觀點.

認為應該去除 GIL 的:

• 不順應計算機的發展潮流(多核時代已經到來, 而 GIL 會很影響多核的使用)

• 大幅度提升多線程程序的速度

認為不應該去除 GIL 的(如果去掉,會):

• 寫python的擴展(module)時會遇到鎖的問題,程序員需要繁瑣地加解鎖來保證線程安全

• 會較大幅度地減低單線程程序的速度

后者是 Guido 最為關切的, 也是不去除 GIL 最重要的原因, 一個簡單的嘗試是在1999年(十年前), 最終的結果是導致單線程的程序速度下降了幾乎2倍.

歸根結底,其實就是多進程與多線程的選擇問題, 有一段話比較有意思, 可以參考 http://www.artima.com/forums/flat.jsp?forum=106&thread=214235.

我引用如下:

I actually don't think removing the GIL is a good solution.
But I don't think threads are a good solution, either.
They're too hard to get right, and I say that after spending literally years studying threading in both C++ and Java.
Brian Goetz has taken to saying that no one can get threading right.

引自 Bruce Eckel 對 Guido 的回復. 而 Bruce Eckel 是何許人, 如果你了解 java 或者 C++, 那么應該不會不知道他.

個人的觀點

那么,從我自己的角度來看(我沒有太多的多線程編程經驗), 先不論多線程的速度優勢等,我更加喜歡多進程的是:

• 簡單,無需要人為(或者語言級別)的加解鎖. 想想 java 中的多線程編程,程序員通常會在此處出錯(java程序員可以思考下)

• 安全, 這也是瀏覽器為什么開始使用多進程的一個原因

依照Python自身的哲學, 簡單 是一個很重要的原則,所以, 使用 GIL 也是很好理解的.

當然你真的需要充分利用多核的速度優勢,此時python可能并非你最佳的選擇,請考慮別的語言吧,如 java, erlang 等.

感謝各位的閱讀，以上就是“Python中的GIL機制原理分析”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對Python中的GIL機制原理分析這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！