通過前面的學習，我們了解了 Pyton 并發編程的特性以及什么是多線程編程。其實除此之外，Python 多線程還有一個很重要的知識點，就是本節要講的 GIL。GIL，中文譯為全局解釋器鎖。在講解 GIL 之前，首先通過一個例子來直觀感受一下 GIL 在 Python 多線程程序運行的影響。首先運行如下程序：

import timestart = time.clock()def CountDown(n): while n > 0: n -= 1CountDown(100000)print("Time used:",(time.clock() - start))

運行結果為：

Time used: 0.0039529000000000005

在我們的印象中，使用多個(適量)線程是可以加快程序運行效率的，因此可以嘗試將上面程序改成如下方式：

import timefrom threading import Threadstart = time.clock()def CountDown(n): while n > 0: n -= 1t1 = Thread(target=CountDown, args=[100000 // 2])t2 = Thread(target=CountDown, args=[100000 // 2])t1.start()t2.start()t1.join()t2.join()print("Time used:",(time.clock() - start))

運行結果為：

Time used: 0.006673

可以看到，此程序中使用了 2 個線程來執行和上面代碼相同的工作，但從輸出結果中可以看到，運行效率非但沒有提高，反而降低了。

如果使用更多線程進行嘗試，會發現其運行效率和 2 個線程效率幾乎一樣(本機器測試使用 4 個線程，其執行效率約為 0.005)。這里不再給出具體測試代碼，有興趣的讀者可自行測試。

是不是和你猜想的結果不一樣？事實上，得到這樣的結果是肯定的，因為 GIL 限制了 Python 多線程的性能不會像我們預期的那樣。那么，什么是 GIL 呢？GIL 是最流程的 CPython 解釋器(平常稱為 Python)中的一個技術術語，中文譯為全局解釋器鎖，其本質上類似操作系統的 Mutex。GIL 的功能是：在 CPython 解釋器中執行的每一個 Python 線程，都會先鎖住自己，以阻止別的線程執行。當然，CPython 不可能容忍一個線程一直獨占解釋器，它會輪流執行 Python 線程。這樣一來，用戶看到的就是“偽”并行，即 Python 線程在交替執行，來模擬真正并行的線程。有讀者可能會問，既然 CPython 能控制線程偽并行，為什么還需要 GIL 呢？其實，這和 CPython 的底層內存管理有關。CPython 使用引用計數來管理內容，所有 Python 腳本中創建的實例，都會配備一個引用計數，來記錄有多少個指針來指向它。當實例的引用計數的值為 0 時，會自動釋放其所占的內存。舉個例子，看如下代碼：

>>> import sys
>>> a = []
>>> b = a
>>> sys.getrefcount(a)
3

可以看到，a 的引用計數值為 3，因為有 a、b 和作為參數傳遞的 getrefcount 都引用了一個空列表。假設有兩個 Python 線程同時引用 a，那么雙方就都會嘗試操作該數據，很有可能造成引用計數的條件競爭，導致引用計數只增加 1(實際應增加 2)，這造成的后果是，當第一個線程結束時，會把引用計數減少 1，此時可能已經達到釋放內存的條件(引用計數為 0)，當第 2 個線程再次視圖訪問 a 時，就無法找到有效的內存了。所以，CPython 引進 GIL，可以最大程度上規避類似內存管理這樣復雜的競爭風險問題。

Python GIL底層實現原理

圖 1 GIL 工作流程示意圖

上面這張圖，就是 GIL 在 Python 程序的工作示例。其中，Thread 1、2、3 輪流執行，每一個線程在開始執行時，都會鎖住 GIL，以阻止別的線程執行；同樣的，每一個線程執行完一段后，會釋放 GIL，以允許別的線程開始利用資源。讀者可能會問，為什么 Python 線程會去主動釋放 GIL 呢？畢竟，如果僅僅要求 Python 線程在開始執行時鎖住 GIL，且永遠不去釋放 GIL，那別的線程就都沒有運行的機會。其實，CPython 中還有另一個機制，叫做間隔式檢查(check_interval)，意思是 CPython 解釋器會去輪詢檢查線程 GIL 的鎖住情況，每隔一段時間，Python 解釋器就會強制當前線程去釋放 GIL，這樣別的線程才能有執行的機會。注意，不同版本的 Python，其間隔式檢查的實現方式并不一樣。早期的 Python 是 100 個刻度(大致對應了 1000 個字節碼)；而 Python 3 以后，間隔時間大致為 15 毫秒。當然，我們不必細究具體多久會強制釋放 GIL，讀者只需要明白，CPython 解釋器會在一個“合理”的時間范圍內釋放 GIL 就可以了。整體來說，每一個 Python 線程都是類似這樣循環的封裝，來看下面這段代碼：

for (;;) { if (--ticker < 0) { ticker = check_interval; /* Give another thread a chance */ PyThread_release_lock(interpreter_lock); /* Other threads may run now */ PyThread_acquire_lock(interpreter_lock, 1); } bytecode = *next_instr++; switch (bytecode) { /* execute the next instruction ... */ }}

從這段代碼中可以看出，每個 Python 線程都會先檢查 ticker 計數。只有在 ticker 大于 0 的情況下，線程才會去執行自己的代碼。

Python GIL不能絕對保證線程安全

注意，有了 GIL，并不意味著 Python 程序員就不用去考慮線程安全了，因為即便 GIL 僅允許一個 Python 線程執行，但別忘了 Python 還有 check interval 這樣的搶占機制。比如，運行如下代碼：

import threadingn = 0def foo(): global n n += 1threads = []for i in range(100): t = threading.Thread(target=foo) threads.append(t)for t in threads: t.start()for t in threads: t.join()print(n)

執行此代碼會發現，其大部分時候會打印 100，但有時也會打印 99 或者 98，原因在于 n+=1 這一句代碼讓線程并不安全。如果去翻譯 foo 這個函數的字節碼就會發現，它實際上是由下面四行字節碼組成：

>>> import dis
>>> dis.dis(foo)
LOAD_GLOBAL????????????? 0 (n)
LOAD_CONST?????????????? 1 (1)
INPLACE_ADD
STORE_GLOBAL???????????? 0 (n)

而這四行字節碼中間都是有可能被打斷的！所以，千萬別以為有了 GIL 程序就不會產生線程問題，我們仍然需要注意線程安全。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的解释为脑瘫的那张图_Python GIL全局解释器锁详解（深度剖析）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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