深入理解 GIL:如何写出高性能及线程安全的 Python 代码

6岁时,我有一个音乐盒。我上紧发条,音乐盒顶上的芭蕾舞女演员就会旋转起来,同时,内部装置发出“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星”的叮铃声。那玩意儿肯定俗气透了,但我喜欢那个音乐盒,我想知道它的工作原理是什么。后来我拆开了,才看到它里面一个简单的装置,机身内部镶嵌着一个拇指大小的金属圆筒,当它转动时会拨弄钢制的梳齿,从而发出这些音符。

music box parts

在一个程序员具备的所有特性中,想探究事物运转规律的这种好奇心必不可少。当我打开音乐盒,观察内部装置,可以看出即使我没有成长为一个卓越的程序员,至少也是有好奇心的一个。

奇怪的是,我写 Python 程序多年,一直对全局解释器锁(GIL)持有错误的观念,因为我从未对它的运作机理产生足够好奇。我遇到其他对此同样犹豫和无知的人。是时候让我们来打开这个盒子一窥究竟了。让我们解读 CPython 解释器源码,找出 GIL 究竟是什么,为什么它存在于 Python 中,它又是怎么影响多线程程序的。我将通过举例帮助你深入理解 GIL 。你将会学到如何写出快速运行和线程安全的 Python 代码,以及如何在线程和进程中做选择。

(我在本文中只描述 CPython,而不是 JythonPyPy 或  IronPython。因为目前绝大多数程序员还是使用 CPython 实现 Python 。)

瞧,全局解释器锁(GIL)

这里:

这一行代码摘自 ceval.c —— CPython 2.7 解释器的源代码,Guido van Rossum 的注释”This is the GIL“ 添加于2003 年,但这个锁本身可以追溯到1997年他的第一个多线程 Python 解释器。在 Unix系统中,PyThread_type_lock 是标准 C  mutex_t 锁的别名。当 Python 解释器启动时它初始化:

解释器中的所有 C 代码在执行 Python 时必须保持这个锁。Guido 最初加这个锁是因为它使用起来简单。而且每次从 CPython 中去除 GIL 的尝试会耗费单线程程序太多性能,尽管去除 GIL 会带来多线程程序性能的提升,但仍是不值得的。(前者是Guido最为关切的, 也是不去除 GIL 最重要的原因, 一个简单的尝试是在1999年, 最终的结果是导致单线程的程序速度下降了几乎2倍.)

GIL 对程序中线程的影响足够简单,你可以在手背上写下这个原则:“一个线程运行 Python ,而其他 N 个睡眠或者等待 I/O.”(即保证同一时刻只有一个线程对共享资源进行存取)  Python 线程也可以等待threading.Lock或者线程模块中的其他同步对象;线程处于这种状态也称之为”睡眠“。

hand with writing

线程何时切换?一个线程无论何时开始睡眠或等待网络 I/O,其他线程总有机会获取 GIL 执行 Python 代码。这是协同式多任务处理。CPython 也还有抢占式多任务处理。如果一个线程不间断地在 Python 2 中运行 1000 字节码指令,或者不间断地在 Python 3 运行15 毫秒,那么它便会放弃 GIL,而其他线程可以运行。把这想象成旧日有多个线程但只有一个 CPU 时的时间片。我将具体讨论这两种多任务处理。

把 Python 看作是旧时的大型主机,多个任务共用一个CPU。

协同式多任务处理

当一项任务比如网络 I/O启动,而在长的或不确定的时间,没有运行任何 Python 代码的需要,一个线程便会让出GIL,从而其他线程可以获取 GIL 而运行 Python。这种礼貌行为称为协同式多任务处理,它允许并发;多个线程同时等待不同事件。

也就是说两个线程各自分别连接一个套接字:

两个线程在同一时刻只能有一个执行 Python ,但一旦线程开始连接,它就会放弃 GIL ,这样其他线程就可以运行。这意味着两个线程可以并发等待套接字连接,这是一件好事。在同样的时间内它们可以做更多的工作。

让我们打开盒子,看看一个线程在连接建立时实际是如何放弃 GIL 的,在 socketmodule.c 中:

线程正是在Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 宏处放弃 GIL;它被简单定义为:

当然 Py_END_ALLOW_THREADS 重新获取锁。一个线程可能会在这个位置堵塞,等待另一个线程释放锁;一旦这种情况发生,等待的线程会抢夺回锁,并恢复执行你的Python代码。简而言之:当N个线程在网络 I/O 堵塞,或等待重新获取GIL,而一个线程运行Python。

下面来看一个使用协同式多任务处理快速抓取许多 URL 的完整例子。但在此之前,先对比下协同式多任务处理和其他形式的多任务处理。

抢占式多任务处理

Python线程可以主动释放 GIL,也可以先发制人抓取 GIL 。

让我们回顾下 Python 是如何运行的。你的程序分两个阶段运行。首先,Python文本被编译成一个名为字节码的简单二进制格式。第二,Python解释器的主回路,一个名叫 pyeval_evalframeex() 的函数,流畅地读取字节码,逐个执行其中的指令。

当解释器通过字节码时,它会定期放弃GIL,而不需要经过正在执行代码的线程允许,这样其他线程便能运行:

默认情况下,检测间隔是1000 字节码。所有线程都运行相同的代码,并以相同的方式定期从他们的锁中抽出。在 Python 3 GIL 的实施更加复杂,检测间隔不是一个固定数目的字节码,而是15 毫秒。然而,对于你的代码,这些差异并不显著。

Python中的线程安全

将多个线状物编织在一起,需要技能。

如果一个线程可以随时失去 GIL,你必须使让代码线程安全。 然而 Python 程序员对线程安全的看法大不同于 C 或者 Java 程序员,因为许多 Python 操作是原子的。

在列表中调用 sort(),就是原子操作的例子。线程不能在排序期间被打断,其他线程从来看不到列表排序的部分,也不会在列表排序之前看到过期的数据。原子操作简化了我们的生活,但也有意外。例如,+ = 似乎比 sort() 函数简单,但+ =不是原子操作。你怎么知道哪些操作是原子的,哪些不是?
看看这个代码:

我们可以看到这个函数用 Python 的标准 dis 模块编译的字节码:

代码的一行中, n += 1,被编译成 4 个字节码,进行 4 个基本操作:

  1. 将 n 值加载到堆栈上
  2. 将常数 1 加载到堆栈上
  3. 将堆栈顶部的两个值相加
  4. 将总和存储回 n
记住,一个线程每运行 1000 字节码,就会被解释器打断夺走 GIL 。如果运气不好,这(打断)可能发生在线程加载 n 值到堆栈期间,以及把它存储回 n 期间。很容易可以看到这个过程会如何导致更新丢失:
通常这个代码输出 100,因为 100 个线程每个都递增 n 。但有时你会看到 99 或 98 ,如果一个线程的更新被另一个覆盖。
所以,尽管有 GIL,你仍然需要加锁来保护共享的可变状态:

如果我们使用一个原子操作比如 sort() 函数会如何呢?:

这个函数的字节码显示 sort() 函数不能被中断,因为它是原子的:

一行被编译成 3 个字节码:

  1. 将 lst 值加载到堆栈上
  2. 将其排序方法加载到堆栈上
  3. 调用排序方法

即使这一行  lst.sort() 分几个步骤调用 sort 自身是单个字节码,因此线程没有机会在调用期间抓取 GIL 。我们可以总结为在 sort() 不需要加锁。或者,为了避免担心哪个操作是原子的,遵循一个简单的原则:始终围绕共享可变状态的读取和写入加锁。毕竟,在 Python 中获取一个 threading.Lock 是廉价的

尽管 GIL 不能免除我们加锁的需要,但它确实意味着没有加细粒度的锁的需要(所谓细粒度是指程序员需要自行加、解锁来保证线程安全,典型代表是 Java , 而 CPthon 中是粗粒度的锁,即语言层面本身维护着一个全局的锁机制,用来保证线程安全)。在线程自由的语言比如 Java,程序员努力在尽可能短的时间内加锁存取共享数据,减轻线程争夺,实现最大并行。然而因为在 Python 中线程无法并行运行,细粒度锁没有任何优势。只要没有线程保持这个锁,比如在睡眠,等待I/O, 或者一些其他失去 GIL 操作,你应该使用尽可能粗粒度的,简单的锁。其他线程无论如何无法并行运行。

并发可以完成更快

我敢打赌你真正为的是通过多线程来优化你的程序。通过同时等待许多网络操作,你的任务将更快完成,那么多线程会起到帮助,即使在同一时间只有一个线程可以执行 Python 。这就是并发,线程在这种情况下工作良好。

线程中代码运行更快

正如我们所看到的,在 HTTP上面获取一个URL中,这些线程在等待每个套接字操作时放弃 GIL,所以他们比一个线程更快完成工作。

Parallelism 并行

如果想只通过同时运行 Python 代码,而使任务完成更快怎么办?这种方式称为并行,这种情况 GIL 是禁止的。你必须使用多个进程,这种情况比线程更复杂,需要更多的内存,但它可以更好利用多个 CPU。

这个例子 fork 出 10 个进程,比只有 1 个进程要完成更快,因为进程在多核中并行运行。但是 10 个线程与 1 个线程相比,并不会完成更快,因为在一个时间点只有 1 个线程可以执行 Python:

因为每个 fork 的进程有一个单独的 GIL,这个程序可以把工作分派出去,并一次运行多个计算。

(Jython 和 IronPython 提供单进程的并行,但它们远没有充分实现 CPython 的兼容性。有软件事务内存的 PyPy 有朝一日可以运行更快。如果你对此好奇,试试这些解释器。)

结语

既然你已经打开了音乐盒,看到了它简单的装置,你明白所有你需要知道的如何写出快速运行,线程安全的 Python 代码。使用线程进行并发 I/O 操作,在进程中进行并行计算。这个原则足够简单,你甚至不需要把它写在你的手上。

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