Python中GIL的使用详解

1、GIL简介

GIL的全称为Global Interpreter Lock，全局解释器锁。

1.1 GIL设计理念与限制

python的代码执行由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在解释器的主循环中，同时只有一个线程在运行。即在任意时刻只有一个线程在解释器中运行。对python虚拟机访问的控制由全局解释锁GIL控制，正是这个锁来控制同一时刻只有一个线程能够运行。

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（由于期间没有python的字节码运行，所以不会做线程切换）。

在python中使用都是操作系统级别的线程，linux中使用的pthread，window使用的是其原生线程。

从上面的概述中可以直观的看出py在同一时刻只能跑一个线程，这样在跑多线程的情况下，只有当线程获取到全局解释器锁后才能运行，而全局解释器锁只有一个，因此即使在多核的情况下也只能发挥出单核的功能。

那么这样看起来py不给力啊，GIL直接导致CPython不能利用物理多核的性能加速运行。那么为什么会有这样的设计？考虑到Guido van Rossum 在创造python的时候，上世纪90年代，多核cpu完全属于不可想象的，现在由于硬件发展速度太快，程序编写就要考虑用尽cpu的全部性能，否则就要被淘汰，那么对于python同样也要如此。

上面主要说的是这种设计的劣势，下面再讨论它的优势。

GIL的设计简化了CPython的实现，使得对象模型，包括关键的内建类型如字典，都隐式可以并发访问。锁住全局解释器使得其比较容易的实现对多线程的支持，但也折损了多处理器主机的并行计算能力。

但是不论标准的，还是第三方的扩展模块，都被设计成在进行密集计算任务时释放GIL。另外还有在做IO操作时，GIL总是被释放。对所有面对内建的操作系统C代码的程序来说，GIL会在这个IO调用之前被释放，以允许其它的线程在等待这个IO的时候运行。如果是纯计算的程序，没有IO操作，解释器会每隔100次或每隔一定时间15ms去释放GIL。

这里可以理解为IO密集型的python比计算密集型的程序更能利用多线程环境带来的便利。

1.2 GIL对线程执行的影响

多线程环境中，python虚拟机按照以下方式执行：

1. 设置GIL
2. 切换到一个线程去执行
3. 运行代码，这里有两种机制：
   1. 指定数量的字节码指令（100个）
   2. 固定时间15ms线程主动让出控制
4. 把线程设置为睡眠状态
5. 解锁GIL
6. 再次重复以上步骤

上节说到python语言和程序一样要考虑用尽cpu的性能，下面在讨论py的应对方法。

python的应对方法很简单，在新的python3中依然有GIL，原因大概有下几点：

• CPython的GIL本意是用来保护所有全局的解释器和环境状态变量的，如果去掉GIL，就需要更多的更细粒度的锁对解释器的众多全局状态进行保护。或者采用Lock-Free算法。无论采用哪一种，要做到多线程安全都会比维系一个GIL要难得多。另外改动的还是CPython的代码树及其各种第三方扩展也在依赖GIL。
• 进一步说，有人做过测试将GIL去掉，加入更细粒度的锁。但是实践检测对单线程来说，性能更低。只有利用的物理cpu到一定数目后，性能才会比GIL版本好。且现在绝大部分的python程序都是单线程的。

然后最重要的还在于以下几个方面，简单来说就是py不改，一样能实现我们的需求。

• 自2.6引出的多进程标准库mutilprocessing，让多进程的python编写简化到类似多线程的程度，大大减轻GIL带来的诸多不利。
• 利用ctypes绕过GIL：ctypes可以使py直接调用任意的C动态库的导出函数。所要做的只是用ctypes写python代码即可。而且，ctypes会在调用C函数前释放GIL。
  

python中GIL使得同一个时刻只有一个线程在一个cpu上执行，无法将多个线程映射到多个cpu上执行，但GIL并不会一直占有，它会在适当的时候释放

import threading
count = 0
def add():
  global count
  for i in range(10**6):
    count += 1

def minus():
  global count
  for i in range(10**6):
    count -= 1

thread1 = threading.Thread(target=add)
thread2 = threading.Thread(target=minus)
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()
print(count)

分别运行三次的结果：

-59452
60868
-77007

可以看到count并不是一个固定值，说明GIL会在某个时刻释放，那么GIL具体在什么情况下释放呢：

1.执行的字节码行数到达一定阈值

2.通过时间片划分，到达一定时间阈值

3.在遇到IO操作时，主动释放