说说GIL

上一篇：线程深入篇引入

Code：https://github.com/lotapp/BaseCode/tree/master/python/5.concurrent/Thread/3.GIL

说说GIL

尽管Python完全支持多线程编程， 但是解释器的C语言实现部分在完全并行执行时并不是线程安全的，所以这时候才引入了GIL

解释器被一个全局解释器锁保护着，它确保任何时候都只有一个Python线程执行(保证C实现部分能线程安全) GIL最大的问题就是Python的多线程程序并不能利用多核CPU的优势 （比如一个使用了多个线程的计算密集型程序只会在一个单CPU上面运行）

注意：GIL只会影响到那些严重依赖CPU的程序（比如计算型的）如果你的程序大部分只会涉及到I/O，比如网络交互，那么使用多线程就很合适 ~ 因为它们大部分时间都在等待（线程被限制到同一时刻只允许一个线程执行这样一个执行模型。GIL会根据执行的字节码行数和时间片来释放GIL，在遇到IO操作的时候会主动释放权限给其他线程）

所以Python的线程更适用于处理I/O和其他需要并发执行的阻塞操作，而不是需要多处理器并行的计算密集型任务（对于IO操作来说，多进程和多线程性能差别不大）【计算密集现在可以用Python的Ray框架】

网上摘取一段关于IO密集和计算密集的说明：（IO密集型可以结合异步）

计算密集型任务的特点是要进行大量的计算，消耗CPU资源，比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等，全靠CPU的运算能力。这种计算密集型任务虽然也可以用多任务完成，但是任务越多，花在任务切换的时间就越多，CPU执行任务的效率就越低，所以，要最高效地利用CPU，计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。

计算密集型任务由于主要消耗CPU资源，因此，代码运行效率至关重要。Python这样的脚本语言运行效率很低，完全不适合计算密集型任务。对于计算密集型任务，最好用C语言编写。

第二种任务的类型是IO密集型，涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务，这类任务的特点是CPU消耗很少，任务的大部分时间都在等待IO操作完成（因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度）。对于IO密集型任务，任务越多，CPU效率越高，但也有一个限度。常见的大部分任务都是IO密集型任务，比如Web应用。

IO密集型任务执行期间，99%的时间都花在IO上，花在CPU上的时间很少，因此，用运行速度极快的C语言替换用Python这样运行速度极低的脚本语言，完全无法提升运行效率。对于IO密集型任务，最合适的语言就是开发效率最高（代码量最少）的语言，脚本语言是首选，C语言最差。

Process and Thread Test

其实用不用多进程看你需求，不要麻木使用，Linux下还好点，Win下进程开销就有点大了（好在服务器基本上都是Linux，程序员开发环境也大多Linux了）这边只是简单测了个启动时间差距就来了，其他的都不用测试了

测试Code：

from time import sleep
from multiprocessing import Process

def test(i):
    sleep(1)
    print(i)

def main():
    t_list = [Process(target=test, args=(i, )) for i in range(1000)]
    for t in t_list:
        t.start()

if __name__ == '__main__':
    main()

运行时间：

real	0m3.980s
user	0m2.034s
sys	 0m3.119s

操作系统几千个进程开销还是有点大的（毕竟进程是有上线的）ulimit -a

测试Code：

from time import sleep
from multiprocessing.dummy import Process

def test(i):
    sleep(1)
    print(i)

def main():
    t_list = [Process(target=test, args=(i, )) for i in range(1000)]
    for t in t_list:
        t.start()

if __name__ == '__main__':
    main()

运行时间：

real	0m1.130s
user	0m0.158s
sys	 0m0.095s

multiprocessing.dummy里面的Process上面也说过了，就是在线程基础上加点东西使得用起来和multiprocessing的Process编程风格基本一致（本质还是线程）

测试Code:

from time import sleep
from multiprocessing.dummy import threading

def test(i):
    sleep(1)
    print(i)

def main():
    t_list = [threading.Thread(target=test, args=(i, )) for i in range(1000)]
    for t in t_list:
        t.start()

if __name__ == '__main__':
    main()

运行时间：

real	0m1.123s
user	0m0.154s
sys	 0m0.085s

其实Redis就是使用单线程和多进程的经典，它的性能有目共睹。所谓性能无非看个人能否充分发挥罢了。不然就算给你轰炸机你也不会开啊？扎心不老铁～

PS：线程和进程各有其好处，无需一棍打死，具体啥好处可以回顾之前写的进程和线程篇～

---

利用共享库来扩展

C系扩展

GIL是Python解释器设计的历史遗留问题，多线程编程，模型复杂，容易发生冲突，必须用锁加以隔离，同时，又要小心死锁的发生。Python解释器由于设计时有GIL全局锁，导致了多线程无法利用多核。计算密集型任务要真正利用多核，除非重写一个不带GIL的解释器（PyPy）如果一定要通过多线程利用多核，可以通过C扩展来实现（Python很多模块都是用C系列写的，所以用C扩展也就不那么奇怪了）

只要用C系列写个简单功能（不需要深入研究高并发），然后使用ctypes导入使用就行了：

#include <stdio.h>  

void test()
{
  while(1){}
}

编译成共享库：gcc 2.test.c -shared -o libtest.so

使用Python运行指定方法：（太方便了，之前一直以为C#调用C系列最方便，用完Python才知道更简方案）

from ctypes import cdll
from os import cpu_count
from multiprocessing.dummy import Pool

def main():
    # 加载C共享库（动态链接库）
    lib = cdll.LoadLibrary("./libtest.so")

    pool = Pool()  # 默认是系统核数
    pool.map_async(lib.test, range(cpu_count()))
    pool.close()
    pool.join()

if __name__ == '__main__':
    main()

看看这时候HTOP的信息：（充分利用多核）【ctypes在调用C时会自动释放GIL】

Go扩展

利用Go写个死循环，然后编译成so动态链接库（共享库）：

package main
import "C"

//export test
func test(){
	for true{
    }
}

func main() {
	test()
}

非常重要的事情：//export test一定要写，不然就被自动改成其他名字（我当时被坑过）

Python调用和上面一样：

from ctypes import cdll
from os import cpu_count
from multiprocessing.dummy import Pool

def main():
    # 加载动态链接库
    lib = cdll.LoadLibrary("./libtestgo.so")

    pool = Pool()  # 默认是系统核数
    pool.map_async(lib.test, range(cpu_count()))
    pool.close()
    pool.join()

if __name__ == '__main__':
    main()

效果：go build -buildmode=c-shared -o libtestgo.so 2.test.go

---

题外话～如果想等CPython的GIL消失可以先看一个例子：MySQL把大锁改成各个小锁花了5年。在是在MySQL有专门的团队和公司前提下，而Python完全靠社区重构就太慢了

速度方面微软除外，更新快本来是好事，但是动不动断层更新，这学习成本就太大了(这也是为什么Net能深入的人比较少的原因：人家刚深入一个，你就淘汰一个了...)

可能还有人不清楚，贴下官方推荐技术吧（NetCore、Orleans、EFCore、ML.Net、CoreRT）

https://github.com/aspnet/AspNetCore

https://github.com/aspnet/EntityFrameworkCore

https://github.com/dotnet/machinelearning

https://github.com/dotnet/orleans

https://github.com/aspnet/Mvc

https://github.com/dotnet/corert

课外拓展：

用go语言给python3开发模块
https://www.jianshu.com/p/40e069954804
https://blog.filippo.io/building-python-modules-with-go-1-5

Python与C/C++相互调用
https://www.cnblogs.com/apexchu/p/5015961.html

使用C/C++代码编写Python模块
https://www.cnblogs.com/silvermagic/p/9087896.html

快速实现python c扩展模块
https://www.cnblogs.com/chengxuyuancc/p/6374239.html

Python的C语言扩展
https://python3-cookbook.readthedocs.io/zh_CN/latest/chapters/p15_c_extensions.html

python调用golang生成的so库
https://studygolang.com/articles/10228
https://www.cnblogs.com/huangguifeng/p/8931837.html

python调用golang并回调
https://blog.csdn.net/gtd138/article/details/79801235

Python3.x AttributeError: libtest.so: undefined symbol: fact
https://www.cnblogs.com/tanglizi/p/8965230.html

运行在其他编译器上

先看最重要的一点，一旦运行在其他编译器意味着很多Python第三方库可能就不能用了，相对来说PyPy兼容性是最好的了

如果是Python2系列我推荐谷歌的grumpy

Grumpy是一个 Python to Go 源代码转换编译器和运行时。旨在成为CPython2.7的近乎替代品。关键的区别在于它将Python源代码编译为Go源代码，然后将其编译为本机代码，而不是字节码。这意味着Grumpy没有VM

已编译的Go源代码是对Grumpy运行时的一系列调用，Go库提供与 Python C API类似的目的

如果是Python3系列，可以使用PyPy PythonNet Jython3 ironpython3等等

PyPy:https://bitbucket.org/pypy/pypy

Net方向：

https://github.com/pythonnet/pythonnet
https://github.com/IronLanguages/ironpython3

Java方向：

https://github.com/jython/jython3

Other：

源码：https://github.com/sbinet/go-python
参考：https://studygolang.com/articles/13019

可惜CoreRT一直没完善，不然就Happy了
https://github.com/dotnet/corert

经验：平时基本上多线程就够用了，如果想多核利用-多进程基本上就搞定了（分布式走起）实在不行一般都是分析一下性能瓶颈在哪，然后写个扩展库

如果需要和其他平台交互才考虑上面说的这些项目。如果是Web项目就更不用担心了，现在哪个公司还不是混用？JavaScript and Python and Go or Java or NetCore。基本上上点规模的公司都会用到Python，之前都是Python and Java搭配使用，这几年开始慢慢变成Python and Go or NetCore搭配使用了~

下集预估：Actor模型 and 消息发布/订阅模型