前言：

python的使用者都知道Cpython解釋器有一個(gè)弊端，真正執(zhí)行時(shí)同一時(shí)間只會(huì)有一個(gè)線程執(zhí)行，這是由于設(shè)計(jì)者當(dāng)初設(shè)計(jì)的一個(gè)缺陷，里面有個(gè)叫GIL鎖的，但他到底是什么？我們只知道因?yàn)樗麑?dǎo)致python使用多線程執(zhí)行時(shí)，其實(shí)一直是單線程，但是原理卻不知道，那么接下來我們就認(rèn)識(shí)一下GIL鎖

1、什么是GIL鎖

GIL（Global Interpreter Lock）不是Python獨(dú)有的特性，它只是在實(shí)現(xiàn)CPython（Python解釋器）時(shí)，引入的一個(gè)概念。

在官方網(wǎng)站中定義如下：

In CPython, the global interpreter lock, or GIL, is a mutex that prevents multiple native threads from executing Python bytecodes at once. This lock is necessary mainly because CPython's memory management is not thread-safe. (However, since the GIL exists, other features have grown to depend on the guarantees that it enforces.)

由定義可知，GIL是一個(gè)互斥鎖（mutex）。它阻止了多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行Python字節(jié)碼，毫無疑問，這降低了執(zhí)行效率。理解GIL的必要性，需要了解CPython對(duì)于線程安全的內(nèi)存管理機(jī)制。

2、CPython對(duì)線程安全的內(nèi)存管理機(jī)制

Python使用引用計(jì)數(shù)來進(jìn)行內(nèi)存管理，在Python中創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)有引用計(jì)數(shù)，來記錄有多少個(gè)指針指向它。當(dāng)引用計(jì)數(shù)的值為0時(shí)，就會(huì)自動(dòng)釋放內(nèi)存

我們來看一個(gè)小例子，來解釋引用計(jì)數(shù)的原理：

可以看到，a 的引用計(jì)數(shù)值為 3，因?yàn)橛?a、b 和作為參數(shù)傳遞的 getrefcount 都引用了一個(gè)空列表。
如果有2個(gè)python線程同時(shí)引用a，那么2個(gè)線程都會(huì)嘗試對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，多個(gè)線程同時(shí)對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加或減少的操作，如果發(fā)生這種情況，則可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏

3、GIL鎖的產(chǎn)生

由于多個(gè)線程同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)不一致，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，我們可以對(duì)其進(jìn)行加鎖，所以Cpython就創(chuàng)建了GIL鎖

但是既然有了鎖，一個(gè)對(duì)象就需要一把鎖，那么多個(gè)對(duì)象就會(huì)有多把鎖，可能會(huì)給我們帶來2個(gè)問題

• 1.死鎖（線程之間互相爭(zhēng)搶鎖的資源）
• 2.反復(fù)獲取和釋放鎖而導(dǎo)致性能降低。

為了保證單線程情況下python的正常執(zhí)行和效率，GIL鎖（單一鎖）由此產(chǎn)生了，它添加了一個(gè)規(guī)則，即任何Python字節(jié)碼的執(zhí)行都需要獲取解釋器鎖。這樣可以防止死鎖（因?yàn)橹挥幸粋€(gè)鎖），并且不會(huì)帶來太多的性能開銷。但這實(shí)際上使所有受CPU約束的Python程序（指的是CPU密集型程序）都是單線程的。

4、GIL鎖的底層原理

上面這張圖，就是 GIL 在 Python 程序的工作示例。其中，Thread 1、2、3 輪流執(zhí)行，每一個(gè)線程在開始執(zhí)行時(shí)，都會(huì)鎖住 GIL，以阻止別的線程執(zhí)行；同樣的，每一個(gè)線程執(zhí)行完一段后，會(huì)釋放 GIL，以允許別的線程開始利用資源。

線程釋放GIL鎖有兩種情況：

• 一是遇到IO操作，
• 二是Time Tick到期。IO操作很好理解

比如發(fā)出一個(gè)http請(qǐng)求，等待響應(yīng)。那么Time Tick到期是什么呢？Time Tick規(guī)定了線程的最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間，超過時(shí)間后自動(dòng)釋放GIL鎖。Python 3 以后，間隔時(shí)間大致為15毫秒。
 

雖然都是釋放GIL鎖，但這兩種情況是不一樣的。比如，Thread1遇到IO操作釋放GIL，由Thread2和Thread3來競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)GIL鎖，Thread1不再參與這次競(jìng)爭(zhēng)。如果是Thread1因?yàn)門ime Tick到期釋放GIL(多數(shù)是CPU密集型任務(wù))，那么三個(gè)線程可以同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)這把GIL鎖，可能出現(xiàn)Thread1在競(jìng)爭(zhēng)中勝出，再次執(zhí)行的情況。單核CPU下，這種情況不算特別糟糕。因?yàn)橹挥?個(gè)CPU，所以CPU的利用率是很高的。

在多核CPU下，由于GIL鎖的全局特性，無法發(fā)揮多核的特性，GIL鎖會(huì)使得多線程任務(wù)的效率大大降低。

Thread1在CPU1上運(yùn)行，Thread2在CPU2上運(yùn)行。GIL是全局的，CPU2上的Thread2需要等待CPU1上的Thread1讓出GIL鎖，才有可能執(zhí)行。如果在多次競(jìng)爭(zhēng)中，Thread1都勝出，Thread2沒有得到GIL鎖，意味著CPU2一直是閑置的，無法發(fā)揮多核的優(yōu)勢(shì)。

為了避免同一線程霸占CPU，在python3.2版本之后，線程會(huì)自動(dòng)的調(diào)整自己的優(yōu)先級(jí)，使得多線程任務(wù)執(zhí)行效率更高。
既然GIL降低了多核的效率，那保留它的目的是什么呢？這就和線程執(zhí)行的安全有關(guān)。

5、Python GIL不能絕對(duì)保證線程安全

上面的程序?qū)做了同樣數(shù)量的加法和減法，那么n理論上是0。但運(yùn)行程序，打印n，發(fā)現(xiàn)它不是0。問題出在哪里呢，問題在于python的每行代碼不是原子化的操作。比如n = n+1這步，不是一次性執(zhí)行的。如果去查看python編譯后的字節(jié)碼執(zhí)行過程，可以看到如下結(jié)果。

從過程可以看出，n = n +1操作分成了四步完成。因此，n = n+1不是一個(gè)原子化操作。

• 1.加載全局變量n
• 2.加載常數(shù)1
• 3.進(jìn)行二進(jìn)制加法運(yùn)算
• 4.將運(yùn)算結(jié)果存入變量n。

根據(jù)前面的線程釋放GIL鎖原則，線程a執(zhí)行這四步的過程中，有可能會(huì)讓出GIL。如果這樣，n=n+1的運(yùn)算過程就被打亂了。最后的結(jié)果中，得到一個(gè)非零的n也就不足為奇。

6、總結(jié)

對(duì)于IO密集型應(yīng)用，多線程的應(yīng)用和多進(jìn)程應(yīng)用區(qū)別不大。即便有GIL存在，由于IO操作會(huì)導(dǎo)致GIL釋放，其他線程能夠獲得執(zhí)行權(quán)限。由于多線程的通訊成本低于多進(jìn)程，因此偏向使用多線程。

對(duì)于計(jì)算密集型應(yīng)用，由于CPU一直處于被占用狀態(tài)，GIL鎖直到規(guī)定時(shí)間才會(huì)釋放，然后才會(huì)切換狀態(tài)，導(dǎo)致多線程處于絕對(duì)的劣勢(shì)，此時(shí)可以采用多進(jìn)程+協(xié)程。

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參考資料：

https://realpython.com/python-gil/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/97218985

原文鏈接：https://www.cnblogs.com/jiakecong/p/14693491.html