Python全局解释器锁 -- GIL

首先强调背景：

1、GIL是什么？GIL的全称是Global Interpreter Lock(全局解释器锁)，来源是python设计之初的考虑，为了数据安全所做的决定。

2、每个CPU在同一时间只能执行一个线程（在单核CPU下的多线程其实都只是并发，不是并行，并发和并行从宏观上来讲都是同时处理多路请求的概念。但并发和并行又有区别，并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生；而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。）

在Python多线程下，每个线程的执行方式：
1.获取GIL
2.执行代码直到sleep或者是python虚拟机将其挂起。
3.释放GIL

可见，某个线程想要执行，必须先拿到GIL，我们可以把GIL看作是“通行证”，并且在一个python进程中，GIL只有一个。拿不到通行证的线程，就不允许进入CPU执行。

在python2.x里，GIL的释放逻辑是当前线程遇见IO操作或者ticks计数达到100（ticks可以看作是python自身的一个计数器，专门做用于GIL，每次释放后归零，这个计数可以通过 sys.setcheckinterval 来调整），进行释放。

而每次释放GIL锁，线程进行锁竞争、切换线程，会消耗资源。并且由于GIL锁存在，python里一个进程永远只能同时执行一个线程(拿到GIL的线程才能执行)，这就是为什么在多核CPU上，python的多线程效率并不高。

那么是不是python的多线程就完全没用了呢？

在这里我们进行分类讨论：

1、CPU密集型代码(各种循环处理、计数等等)，在这种情况下，由于计算工作多，ticks计数很快就会达到阈值，然后触发GIL的释放与再竞争（多个线程来回切换当然是需要消耗资源的），所以python下的多线程对CPU密集型代码并不友好。

2、IO密集型代码(文件处理、网络爬虫等)，多线程能够有效提升效率(单线程下有IO操作会进行IO等待，造成不必要的时间浪费，而开启多线程能在线程A等待时，自动切换到线程B，可以不浪费CPU的资源，从而能提升程序执行效率)。所以python的多线程对IO密集型代码比较友好。

而在python3.x中，GIL不使用ticks计数，改为使用计时器（执行时间达到阈值后，当前线程释放GIL），这样对CPU密集型程序更加友好，但依然没有解决GIL导致的同一时间只能执行一个线程的问题，所以效率依然不尽如人意。

请注意：多核多线程比单核多线程更差，原因是单核下多线程，每次释放GIL，唤醒的那个线程都能获取到GIL锁，所以能够无缝执行，但多核下，CPU0释放GIL后，其他CPU上的线程都会进行竞争，但GIL可能会马上又被CPU0拿到，导致其他几个CPU上被唤醒后的线程会醒着等待到切换时间后又进入待调度状态，这样会造成线程颠簸(thrashing)，导致效率更低。

回到最开始的问题：经常我们会听到老手说：“python下想要充分利用多核CPU，就用多进程”，原因是什么呢？

原因是：每个进程有各自独立的GIL，互不干扰，这样就可以真正意义上的并行执行，所以在python中，多进程的执行效率优于多线程(仅仅针对多核CPU而言)。

所以在这里说结论：多核下，想做并行提升效率，比较通用的方法是使用多进程，能够有效提高执行效率

以下是Python作者‘龟叔’关于GIL的一段采访：

GIL：

有人问到global interpreter lock（GIL），想要更深入了解这个问题，以及这个问题是如何解决的。Van Rossum笑着反问道：“你有多少时间？”他简要的讲述了GIL产生的历史。在Python诞生后，多核计算机出现了。当线程运行在不同的内核中时，两个或更多的处理器要更新同一个对象便产生了竞争机制，特别在Python垃圾回收处理机制中。

一个合理的解决方案就是给每个对象上锁，这样能保护数据不被多路存取破坏。但结果导致当没有锁的竞争时，上锁和解锁操作代价高昂。一些实验表明，不需要上锁的单线程程序性能会因此降低2倍。这意味着只有在使用三个或多个线程或内核的程序会从中获益。

因此，GIL 诞生了（尽管这个名字在它被添加到解释器后很久才出现）。它是一个立刻有效锁定所有对象的单一锁，这样所有对象访问将排序进行。目前的问题是，10年或15年以后，多核处理器无处不在，人们想要不必进行多重处理就可利用它们（例如，使用独立的进程而不是线程通信）

他说，如果你当今想要设计一种新语言，要让它没有易变的对象，或者有限的易变性。然而，听众中传来“这就不是 Python 了”。Van Rossum 赞成的说：“你说出了我要说的话”。GIL 周围有很多开发者不断的努力，包括 PyPy 软件事务内存（STM），以及 PyParallel。其他开发者也撞破了脑袋在想解决办法。如果有人知道有什么办法能够移除 GIL 且让语言保持 Python 特性，Van 和其他人将很乐意听到。

原文：

GIL

Someone from the audience asked about the global interpreter lock (GIL), looking for more insight into the problem and how it is being addressed. Van Rossum asked back with a grin: "How much time have you got?" He gave a brief history of how the GIL came about. Well after Python was born, computers started getting more cores. When threads are running on separate cores, there are race conditions when two or more try to update the same object, especially with respect to the reference counts that are used in Python for garbage collection.

One possible solution would be for each object to have its own lock that would protect its data from multiple access. It turns out, though, that even when there is no contention for the locks, doing all of the locking and unlocking is expensive. Some experiments showed a 2x performance decrease for single-threaded programs that didn't need the locking at all. That means there are only benefits when three or more threads and cores are being used.

So, the GIL was born (though that name came about long after it was added to the interpreter). It is a single lock that effectively locks all objects at once, so that all object accesses are serialized. The problem is that now, 10 or 15 years later, there are multicore processors everywhere and people would like to take advantage of them without having to do multiprocessing (i.e. separate communicating processes rather than threads).

If you were to design a new language today, he said, you would make it without mutable (changeable) objects, or with limited mutability. From the audience, though, came: "That would not be Python." Van Rossum agreed: "You took the words out of my mouth." There are various ongoing efforts to get around the GIL, including the PyPy software transactional memory (STM) work and PyParallel. Other developers are also "banging their head against that wall until it breaks". If anyone has ideas on how to remove the GIL but still keep the language as Python, he (and others) would love to hear about it.

https://lwn.net/Articles/651967/