Python的多线程GIL浅谈

来源知乎：https://www.zhihu.com/question/23474039/answer/269526476

　　在介绍Python中的线程之前，先明确一个问题，Python中的多线程是假的多线程！为什么这么说，我们先明确一个概念，全局解释器锁（GIL）。Python代码的执行由Python虚拟机（解释器）来控制。Python在设计之初就考虑要在主循环中，同时只有一个线程在执行，就像单CPU的系统中运行多个进程那样，内存中可以存放多个程序，但任意时刻，只有一个程序在CPU中运行。同样地，虽然Python解释器可以运行多个线程，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时只有一个线程在运行。在多线程环境中，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。4.把线程设置为睡眠状态。5.解锁GIL。6.再次重复以上步骤。对所有面向I/O的（会调用内建的操作系统C代码的）程序来说，GIL会在这个I/O调用之前被释放，以允许其他线程在这个线程等待I/O的时候运行。如果某线程并未使用很多I/O操作，它会在自己的时间片内一直占用处理器和GIL。也就是说，I/O密集型的Python程序比计算密集型的Python程序更能充分利用多线程的好处。我们都知道，比方我有一个4核的CPU，那么这样一来，在单位时间内每个核只能跑一个线程，然后时间片轮转切换。但是Python不一样，它不管你有几个核，单位时间多个核只能跑一个线程，然后时间片轮转。看起来很不可思议？但是这就是GIL搞的鬼。任何Python线程执行前，必须先获得GIL锁，然后，每执行100条字节码，解释器就自动释放GIL锁，让别的线程有机会执行。这个GIL全局锁实际上把所有线程的执行代码都给上了锁，所以，多线程在Python中只能交替执行，即使100个线程跑在100核CPU上，也只能用到1个核。通常我们用的解释器是官方实现的CPython，要真正利用多核，除非重写一个不带GIL的解释器。

我们不妨做个试验:

#coding=utf-8
from multiprocessing import Pool
from threading import Thread

from multiprocessing import Process


def loop():
    while True:
        pass

if __name__ == '__main__':

    for i in range(3):
        t = Thread(target=loop)
        t.start()

    while True:
        pass

我的电脑是4核，所以我开了4个线程，看一下CPU资源占有率：

我们发现CPU利用率并没有占满，大致相当于单核水平。

而如果我们变成进程呢？

我们改一下代码：

#coding=utf-8
from multiprocessing import Pool
from threading import Thread

from multiprocessing import Process


def loop():
    while True:
        pass

if __name__ == '__main__':

    for i in range(3):
        t = Process(target=loop)
        t.start()

    while True:
        pass

结果直接飙到了100%，说明进程是可以利用多核的！

为了验证这是Python中的GIL搞得鬼，我试着用Java写相同的代码，开启线程，我们观察一下：

package com.darrenchan.thread;

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    while (true) {

                    }
                }
            }).start();
        }
        while(true){

        }
    }
}

由此可见，Java中的多线程是可以利用多核的，这是真正的多线程！而Python中的多线程只能利用单核，这是假的多线程！

难道就如此？我们没有办法在Python中利用多核？当然可以！刚才的多进程算是一种解决方案，还有一种就是调用C语言的链接库。对所有面向I/O的（会调用内建的操作系统C代码的）程序来说，GIL会在这个I/O调用之前被释放，以允许其他线程在这个线程等待I/O的时候运行。我们可以把一些计算密集型任务用C语言编写，然后把.so链接库内容加载到Python中，因为执行C代码，GIL锁会释放，这样一来，就可以做到每个核都跑一个线程的目的！

可能有的小伙伴不太理解什么是计算密集型任务，什么是I/O密集型任务？

计算密集型任务的特点是要进行大量的计算，消耗CPU资源，比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等，全靠CPU的运算能力。这种计算密集型任务虽然也可以用多任务完成，但是任务越多，花在任务切换的时间就越多，CPU执行任务的效率就越低，所以，要最高效地利用CPU，计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。

计算密集型任务由于主要消耗CPU资源，因此，代码运行效率至关重要。Python这样的脚本语言运行效率很低，完全不适合计算密集型任务。对于计算密集型任务，最好用C语言编写。

第二种任务的类型是IO密集型，涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务，这类任务的特点是CPU消耗很少，任务的大部分时间都在等待IO操作完成（因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度）。对于IO密集型任务，任务越多，CPU效率越高，但也有一个限度。常见的大部分任务都是IO密集型任务，比如Web应用。

IO密集型任务执行期间，99%的时间都花在IO上，花在CPU上的时间很少，因此，用运行速度极快的C语言替换用Python这样运行速度极低的脚本语言，完全无法提升运行效率。对于IO密集型任务，最合适的语言就是开发效率最高（代码量最少）的语言，脚本语言是首选，C语言最差。

综上，Python多线程相当于单核多线程，多线程有两个好处：CPU并行，IO并行，单核多线程相当于自断一臂。所以，在Python中，可以使用多线程，但不要指望能有效利用多核。如果一定要通过多线程利用多核，那只能通过C扩展来实现，不过这样就失去了Python简单易用的特点。不过，也不用过于担心，Python虽然不能利用多线程实现多核任务，但可以通过多进程实现多核任务。多个Python进程有各自独立的GIL锁，互不影响。

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