Python编程中Python与GIL互斥锁关系作用分析


Posted in Python onSeptember 15, 2021

我们知道,在 CPython 中,有一个全局解释器锁,英文叫 global interpreter lock,简称 GIL,是一个互斥锁,用来保护 Python 世界里的对象,防止同一时刻多个线程执行 Python 的字节码,从而确保线程安全,这导致了 Python 的线程无法利用多核 CPU 的优势,因此有人说 Python 的多线程是伪多线程,性能不高,那么 Python 将来有可能去除 GIL 吗?

要回答这个问题,先从 GIL 的起源进行分析。

GIL 的起源

Python 第一次发布是在 1991 年,当时的 CPU 都是单核,单核中,多线程主要为了一边做IO,一边做 CPU 计算而设计的,Python 编译器是由 C 语言编写的,因此也叫 CPython,那时候很多编程语言没有自动内存管理的功能,为了实现自动垃圾回收,Python 为每一个对象进行了引用计数,当引用计数为 0 的时候说明该对象可以回收,从而释放内存了,比如:

>>> import sys
>>> data = { 'gzh': 'Python七号'}
>>> var1 = data
>>> sys.getrefcount(data)
3
>>>

这里 data 对象就有 3 个引用, 一个是本身,一个是变量 var1,一个是 getrefcount 函数的参数,如果此时又有一个线程引用了 data,那么引用计数再增加 1,如果某个线程使用了 data 后运行结束,那么引用计数就减少 1,多线程对同一个变量「引用计数」进行修改,就会遇到 race conditions(竞争),为了避免 race conditions,最简单有效的办法就是加一个互斥锁。

如果对每一个对象都加锁,有可能引发另一个问题,就是死锁,而且频繁的获取和释放会导致性能下降,最简单有效的方法就是加一个解释器锁,线程在执行任何字节码时都先获取解释器锁,这就避免了死锁,而且不会有太多的性能消耗。当时 CPU 都是单核,而且这种 GIL 设计简单,并不会影响性能,因此一直沿用至今天。GIL 存在最主要的原因,就是因为 Python 的内存管理不是线程安全的,这就是 GIL 产生并存在的主要缘由。

尝试消除 GIL

CPU 进入多核时代后,可以同时做多个计算任务, GIL 才真正变成问题。在 1999 年,有个叫 Greg Stein 的大佬基于 Python 1.5 版本消除了 GIL,取代代之的是在可变数据结构上加上更细粒度的锁,也提交了补丁用于去除对全局可变对象的依赖,然后在标准测试时表明去除 GIL 后单线程比不去除时慢了近 2 倍,测试的机器还是当时性能最好 Windows 机器。也就是说除去了 GIL 后,你使用 2 个 CPU 才能获取比原来 1 个 CPU 稍微好一点的性能,这种提升明显得不偿失,Greg Stein 的尝试也就失败告终。

Python 之父 Guido van Rossum 也欢迎社区的志愿者去尝试去除 GIL,只要不降低单线程的性能,但他也提到,去掉 GIL 不是一件容易的事。

Python 开发者邮件列表中也偶尔会有去除 GIL 的议题,但是以下需求必须满足:

  • 简单。从长远来看该方案必须是可实施、可维护的。
  • 并发。去除 GIL 必须能提升多线程的性能。
  • 速度。去除 GIL 不能降低单线程的性能。
  • 满足 CPython 的特性。该方案必须支持 CPython 的功能,比如 __del__ 和弱引用。
  • API 的兼容性。该方案应与所有现有CPython扩展使用的宏在源方面兼容。
  • 及时销毁不可达对象,回收内存。
  • 有序销毁,比如不可达对象 X 引用了 A,那么应该在销毁 A 之前先销毁 X(有些垃圾回收算法并不能做到这一点)。

有些需求不容易被满足,比如 4,5,7,目前,还没有人满足以上需求的同时去除 GIL 成功的。

积重难返

这些年 Python 实在太火了,很多优秀的库都是基于 CPython 进行编写的,很多都是 90 年代的 C 扩展库,如果要除去 GIL,那么很多基于 GIL 编写的 C 扩展便无法使用,也就是去了 GIL,Python 生态有很多扩展或三方库者无法使用。

还有一个很明显的例子,Python 解释器不止有 CPython,还有用 Java 编写的 Python,.NET 实现的 IronPython,这些解释器完全没有 GIL,可是有多少人为它们编写扩展呢?

Python 之所以如此火爆,与它有着丰富的三方库开箱即用有着很大的关系,积重难返,去除 GIL 很困难。

为什么 Python3 一开始时不去除 GIL

Python3 在最开始时是有机会实现很多新功能,在此过程中,打破了一些现有的 C 扩展,然后需要更新和移植更改以配合 Python 3,这也是 Python3 一开始不被社区所接受的原因。

与 Python2 相比,删除 GIL 将使 Python3 在单线程性能方面更慢,而且很多优秀的扩展将不能再使用,如果真的这样,可以想象 Python3 不可能有未来,最终的结果是 Python3 仍然保持有 GIL。

但 Python3 也为现有的 GIL 带来了重大改进,在 Python 3.2 版本中,确保了计算密集型线程和 I/O 密集型线程并存时, I/O 密集型长期获取不到 GIL 而无法执行的问题,提升了多线程的性能。

最后的话

Python 因为内存管理不是线程安全的,因此自出生起就自带 GIL,然后很多扩展都是在 GIL 的保护下编写的,时间一长积重难反,Python3 一开始也因去除 GIL 导致单线程性能下降的问题而保留 GIL,现在已经是 Python3.9 版本了,将来 Python 去除 GIL 的可能性微乎其微,换句话说,去除 GIL 的 Python 也就不是我们认识的 Python 了。

不过不必沮丧,GIL 影响的也仅仅是多线程执行计算密集型的任务罢了,这种场景大多数程序员都很少遇到,即使有,可以使用多进程来避免 GIL 的影响,或者使用其他编程语言实现,任何编程语言或技术都不是十全十美的,发挥所长是最重要的,即使有 GIL,我也不在乎,也会依然使用 Python。

以上就是Python与GIL互斥锁关系分析的详细内容,更多关于Python与GIL互斥锁的资料请关注三水点靠木其它相关文章!

Python 相关文章推荐
python实现ip查询示例
Mar 26 Python
PyMongo安装使用笔记
Apr 27 Python
python实现查找两个字符串中相同字符并输出的方法
Jul 11 Python
python脚本设置超时机制系统时间的方法
Feb 21 Python
使用Python的Django框架结合jQuery实现AJAX购物车页面
Apr 11 Python
python读取视频流提取视频帧的两种方法
Oct 22 Python
Python异常处理操作实例详解
May 10 Python
Python Pandas批量读取csv文件到dataframe的方法
Oct 08 Python
python画图--输出指定像素点的颜色值方法
Jul 03 Python
django2.2安装错误最全的解决方案(小结)
Sep 24 Python
Pandas时间序列:重采样及频率转换方式
Dec 26 Python
python利用tkinter实现图片格式转换的示例
Sep 28 Python
Python3.10的一些新特性原理分析
Sep 15 #Python
一篇文章带你了解Python和Java的正则表达式对比
Sep 15 #Python
Python编程编写完善的命令行工具
Sep 15 #Python
python可视化之颜色映射详解
python的变量和简单数字类型详解
Sep 15 #Python
深入浅析Django MTV模式
python 进阶学习之python装饰器小结
Sep 04 #Python
You might like
PHP请求Socket接口测试实例
2016/08/12 PHP
Windows平台实现PHP连接SQL Server2008的方法
2017/07/26 PHP
php制作圆形用户头像的实例_自定义封装类源代码
2017/09/18 PHP
php连接MSsql server的五种方法总结
2018/03/04 PHP
xml和web特殊字符
2009/04/28 Javascript
从父页面读取和操作iframe中内容方法
2009/07/25 Javascript
document.onreadystatechange事件的用法分析
2009/10/17 Javascript
加载远程图片时,经常因为缓存而得不到更新的解决方法(分享)
2013/06/26 Javascript
ExtJS实现文件下载的方法实例
2013/11/09 Javascript
jQuery实现可编辑的表格实例讲解(2)
2015/09/17 Javascript
jquery ztree实现模糊搜索功能
2016/02/25 Javascript
实例分析nodejs模块xml2js解析xml过程中遇到的坑
2017/03/18 NodeJs
vue2.x 父组件监听子组件事件并传回信息的方法
2017/07/17 Javascript
微信小程序引用公共js里的方法的实例详解
2017/08/17 Javascript
Bootstrap Table 搜索框和查询功能
2017/11/30 Javascript
详解NODEJS的http实现
2018/01/04 NodeJs
js实现搜索栏效果
2018/11/16 Javascript
jquery css实现流程进度条
2020/03/26 jQuery
linux系统使用python监测网络接口获取网络的输入输出
2014/01/15 Python
Python 基础知识之字符串处理
2017/01/06 Python
python中解析json格式文件的方法示例
2017/05/03 Python
Python机器学习库scikit-learn安装与基本使用教程
2018/06/25 Python
解决Keras中Embedding层masking与Concatenate层不可调和的问题
2020/06/18 Python
基于python图书馆管理系统设计实例详解
2020/08/05 Python
python3中确保枚举值代码分析
2020/12/02 Python
经济实惠的豪华背包和行李袋:Packs Project
2018/10/17 全球购物
三星加拿大官方网上商店:Samsung CA
2020/12/18 全球购物
专科毕业生就业推荐信
2013/11/01 职场文书
四川成都导游欢迎词
2014/01/18 职场文书
2014年少先队工作总结
2014/12/03 职场文书
父亲节感言
2015/08/03 职场文书
高一语文教学反思
2016/02/16 职场文书
CSS3 制作的彩虹按钮样式
2021/04/11 HTML / CSS
用Python简陋模拟n阶魔方
2021/04/17 Python
Python基础详解之描述符
2021/04/28 Python
PyQt5爬取12306车票信息程序的实现
2021/05/14 Python