线程之 CPthon中的GIL与Lock的分析与解决办法

Cpython 中的GIL锁介绍

1. 前戏

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.)

首先需要明确的一点是GIL并不是Python的特性，它是在实现Python解析器(CPython)时所引入的一个概念。就好比C++是一套语言（语法）标准，但是可以用不同的编译器来编译成可执行代码。>有名的编译器例如GCC，INTEL C++，Visual C++等。Python也一样，同样一段代码可以通过CPython，PyPy，Psyco等不同的Python执行环境来执行。像其中的JPython就没有GIL。然而因为CPython是大部分环境下默认的Python执行环境。所以在很多人的概念里CPython就是Python，也就想当然的把GIL归结为Python语言的缺陷。所以这里要先明确一点：GIL并不是Python的特性，Python完全可以不依赖于GIL

2. GIL的介绍

GIL本质就是一把互斥锁，既然是互斥锁，所有互斥锁的本质都一样，都是将并发运行变成串行，以此来控制同一时间内共享数据只能被一个任务所修改，进而保证数据安全。
可以肯定的一点是：保护不同的数据的安全，就应该加不同的锁。
要想了解GIL，首先确定一点：每次执行python程序，都会产生一个独立的进程。例如python test.py，python aaa.py，python bbb.py会产生3个不同的python进程

验证每个Python的执行文件都会产生一个线程

		#test.py内容
		import os,time
		print(os.getpid())
		time.sleep(1000)

		#打开终端执行
		python3 test.py

		#在windows下查看
		tasklist |findstr python

		#在linux下下查看
		ps aux |grep python

此外，在Python中不光有我们开启的线程，还有Python解释器层面上的垃圾回收机制的线程，所以这些线程都运行在一个进程里面，进程之间又可以进行内存共享，这就导致了数据的不安全。

 1、所有数据都是共享的，这其中，代码作为一种数据也是被所有线程共享的（test.py的所有代码以及Cpython解释器的所有代码）
例如：test.py定义一个函数work（代码内容如下图），在进程内所有线程都能访问到work的代码，于是我们可以开启三个线程然后target都指向该代码，能访问到意味着就是可以执行。

2、所有线程的任务，都需要将任务的代码当做参数传给解释器的代码去执行，即所有的线程要想运行自己的任务，首先需要解决的是能够访问到解释器的代码。

综上所述：

当target = worker 的时候，那么执行的流程则为：
多个线程先访问到解释器的代码，即拿到执行权限，然后将target的代码交给解释器的代码去执行，这就会有一个很严重的问题:

解释器的代码是所有线程共享的，所以垃圾回收线程也可能访问到解释器的代码而去执行，这就导致了一个问题:对于同一个数据100，可能线程1执行x=100的同时，而垃圾回收执行的是回收100的操作，解决这种问题没有什么高明的方法，就是加锁处理，如下图的GIL，保证python解释器同一时间只能执行一个任务的代码。

3. GIL与Lock的区别

有的人会问这样一个问题：
Python已经有一个GIL来保证同一时间只能有一个线程来执行了，为什么这里还需要lock?
解释这个问题首先我们需要达成共识:
锁的目的是为了保护共享的数据，同一时间只能有一个线程来修改共享的数据
然后，我们可以得出结论：保护不同的数据就应该加不同的锁。

那这样问题就很明确了：GIL 与Lock是两把锁，保护的数据不一样，前者是解释器级别的（当然保护的就是解释器级别的数据，比如垃圾回收的数 据），后者是保护用户自己开发的应用程序的数据，很明显GIL不负责这件事，只能用户自定义加锁处理，即Lock，如下图

我们来分析下上图的工作流程：

1、100个线程去抢GIL锁，即抢执行权限
2、肯定有一个线程先抢到GIL（暂且称为线程1），然后开始执行，一旦执行就会拿到lock.acquire()
3、极有可能线程1还未运行完毕，就有另外一个线程2抢到GIL，然后开始运行，但线程2发现互斥锁lock还未被线程1释放，于是阻塞，被迫交出执行权限，即释放GIL
4、直到线程1重新抢到GIL，开始从上次暂停的位置继续执行，直到正常释放互斥锁lock，然后其他的线程再重复2 3 4的过程

from threading import Thread,Lock
import os,time
def work():
    global n
    lock.acquire()   # 如果没有锁 ，那最后的结果不是0 因为上图所说，如果没有加lock那么有的n没执行完自减1 就被剥夺走了执行权限导致数据计算不准确
    temp=n
    time.sleep(0.1)
    n=temp-1
    lock.release()
if __name__ == '__main__':
    lock=Lock()
    n=100
    l=[]
    for i in range(100):
        p=Thread(target=work)
        l.append(p)
        p.start()
    for p in l:
        p.join()

    print(n) # *结果肯定为0，由原来的并发执行变成串行，牺牲了执行效率保证了数据安全，不加锁则结果可能为99*

4. GIL与多线程

有了GIL的存在，同一时刻同一进程中只有一个线程被执行
听到这里，有的同学立马质问：进程可以利用多核，但是开销大，而python的多线程开销小，但却无法利用多核优势，也就是说python没用了，php才是最牛逼的语言？

小伙子你不要着急呀，听我跟你慢慢解释：
要解决你说的这个问题我们需要明确这么几点：

1、cpu到底是用来做计算的，还是用来做I/O的？

2、多cpu，意味着可以有多个核并行完成计算，所以多核提升的是计算性能

3、每个cpu一旦遇到I/O阻塞，仍然需要等待，所以多核对I/O操作没什么用处

一个工人相当于cpu，此时计算相当于工人在干活，I/O阻塞相当于为工人干活提供所需原材料的过程，工人干活的过程中如果没有原材料了，则工人干活的过程需要停止，直到等待原材料的到来。

如果你的工厂干的大多数任务都要有准备原材料的过程（I/O密集型），那么你有再多的工人，意义也不大，还不如一个人，在等材料的过程中让工人去干别的活，

反过来讲，如果你的工厂原材料都齐全，那当然是工人越多，效率越高

所以你需要明确一点：

1、对计算来说，cpu越多越好，但是对于I/O来说，再多的cpu也没用
2、当然对运行一个程序来说，随着cpu的增多执行效率肯定会有所提高（不管提高幅度多大，总会有所提高），这是因为一个程序基本上不会是纯计算或者纯I/O，所以我们只能相对的去看一个程序到底是计算密集型还是I/O密集型，从而进一步分析python的多线程到底有无用武之地

再举个栗子来说：

假设我们有四个任务需要处理，处理方式肯定是要玩出并发的效果，解决方案可以是：

方案一：开启四个进程
方案二：一个进程下，开启四个线程

单核情况下，分析结果:

如果四个任务是计算密集型，没有多核来并行计算，方案一徒增了创建进程的开销，方案二胜
如果四个任务是I/O密集型，方案一创建进程的开销大，且进程的切换速度远不如线程，方案二胜

多核情况下，分析结果：

如果四个任务是计算密集型，多核意味着并行计算，在python中一个进程中同一时刻只有一个线程执行用不上多核，方案一胜
如果四个任务是I/O密集型，再多的核也解决不了I/O问题，方案二胜 

5. 多线程并发性能的分析

首先如果多任务是计算密集型的：

from multiprocessing import Process
from threading import Thread
import os,time
def work():
    res=0
    for i in range(100000000):
        res*=i


if __name__ == '__main__':
    l=[]
    print(os.cpu_count()) #本机为4核
    start=time.time()
    for i in range(4):
        p=Process(target=work) #耗时5s多
        p=Thread(target=work) #耗时18s多
        l.append(p)
        p.start()
    for p in l:
        p.join()
    stop=time.time()
    print('run time is %s' %(stop-start))

其次是我们的并发多任务是IO密集型：

from multiprocessing import Process
from threading import Thread
import threading
import os,time
def work():
    time.sleep(2)
    print('===>')

if __name__ == '__main__':
    l=[]
    print(os.cpu_count()) #本机为4核
    start=time.time()
    for i in range(400):
        # p=Process(target=work) #耗时12s多,大部分时间耗费在创建进程上
        p=Thread(target=work) #耗时2s多
        l.append(p)
        p.start()
    for p in l:
        p.join()
    stop=time.time()
    print('run time is %s' %(stop-start))

所以 我们的结论为：

多线程用于IO密集型，如socket，爬虫，web
多进程用于计算密集型，如金融分析