为什么 Python 被设计为带有 GIL?

By guenchi at 2018-04-01 • 0人收藏 • 225人看过


https://blog.windrunner.me/python/gil.html

GIL(global interpreter lock),全局解释器锁,是很多编程语言实现中都具有的特性,由于它的存在,解释器无法实现真正的并发。它也是 Python 中经常讨论的话题之一。

Python 作为编程语言存在多个具体实现,包括最常用的 CPython、超集 Cython、.NET 平台的 IronPython、JVM 上的 Jython,R 语言实现的 RPython、JIT 版本的 PyPy 等等。这里我们只讨论最常用的、官方的 CPython 实现。

GIL 有什么好处?

简单来说,它在单线程的情况更快,并且在和 C 库结合时更方便,而且不用考虑线程安全问题,这也是早期 Python 最常见的应用场景和优势。

Python(CPython)为什么存在 GIL?

根据官方 wiki,CPython 内存管理不是线程安全的,因此需要 GIL 来保证多个原生线程不会并发执行 Python 字节码。

GIL 的存在一直是富有争议的,它导致 CPython 程序无法真正利用现代操作系统的多进程特性。需要注意的是,对于 I/O 图形处理、NumPy 数学计算这样的耗时操作都发生在 GIL 之外,实际上基本不受影响,真正受影响的都是 CPython 字节码的执行,GIL 会导致性能瓶颈的出现。

Python 采用 GIL 而非管理锁出于以下原因:

  • 单线程情况下更快。

  • 瓶颈在于 I/O 的多线程环境下更快。

  • CPU 耗时操作发生在 C 库调用上时更快。

  • 编写 C 扩展会更容易:除法你手动指定,否则不会发生 Python 线程切换的问题。

  • 封装 C 库变得更容易,因为不需要考虑线程安全问题。如果该库不是线程安全的,你只需要保证调用时 GIL 是锁定的。

GIL 可以被 C 扩展释放,Python 标准库会在每次 I/O 阻塞结束后释放 GIL,因此 GIL 不会对 I/O 服务器产生很大的性能影响。因此你可以 fork 进程或者创建多线程来创建网络服务器处理异步 I/O,GIL 在这种情况下并没有影响。

很多 C 或者 Fortran 编写的数值解析库(numerical libraries)也可以使用类似的方法释放 GIL。在 C 扩展等待 FFT 完成时,解释器可能正在执行其它线程,GIL 在这种情况下相比精良设计的锁解构更简单也更高效。数值解析的部分都是这样的解构,NumPy 扩展会在不需要时及时释放 GIL。

实际上,在很多时候多线程对于服务器程序来说都不是一个好注意。对于低负载程序,fork 多进程更简单更清晰,对于高负载程序,异步 I/O 或者事件驱动更加高效(比如使用 Twisted 框架)。或许,使用多线程的唯一合理解释在于 Windows 上没有 os.fork 。

总之,只有在使用纯 Python 做 CPU 密集运算时 GIL 会是问题。不过你可以使用多进程或者消息传递(比如 mpi4py)来替代,并得到更清晰的架构。 此外,Python 还有 processing 这个库可供选择,它提供了和 threading 相同的接口,(比如你可以使用 processing.Process 来代替 threading.Thread。)

如果没有 GIL 的话,多线程可以提供更迅速的 GUI 反应,如果 GIL 影响了性能(比如上面讨论的情况),你可以创建一个独立进程并等待它结束。

整理自 StackExchange 高票回答 Why Was Python Written with the GIL?


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