python 线程，GIL 和 ctypes

fairyguo

　　GIL 的全程为 Global Interpreter Lock，意即 全局解释器锁在 Python 语言的主流 CPython 实现中，GIL 是一个货真价实的全局线程锁，在解释器解释执行任何 Python 代码时，都需要先获得这把锁才行，解释器在遗到 I/O 操作时会释放这把锁。如果是计算的程序，没有I/O操作，解释器会每隔100次操作就释放这把锁，让别的线程有机会执行（这个次数可以通过sys.setcheckinterval来调整）。所以，虽然 CPython 的线程库直接封装操作系统的原生线程，但 CPython 进程做为一个整体，同一时间只会有一个获得了 GIL 的线程在跑，其它的线程都处于等待状态等着 GIL 的释放。这也就解释了我们上面的实验结果：虽然有两个死循环的线程，而且有两个物理 CPU 内核，但因为 GIL 的限制，两个线程只是做着分时切换，总的 CPU 占用率还略低于 50％。
　　看起来 python 很不给力啊。GIL 直接导致 CPython 不能利用物理多核的性能加速运算。那为什么会有这样的设计呢？我想，应该还是历史遗留问题。多核 CPU 在 1990 年代还属于类科幻，Guido van Rossum 在创造 python 的时候，也想不到他的语言有一天会被用到很可能 1000＋ 个核的 CPU 上面，一个全局锁搞定多线程安全在那个时代应该是最简单经济的设计了。简单而又能满足需求，那就是合适的设计（对设计来说，应该只有合适与否，而没有好与不好）。怪只怪硬件的发展实在太快了，摩尔定律给软件业的红利这么快就要到头了。短短20年不到，代码工人就不能指望仅仅靠升级 CPU 就能让老软件跑的更快了。在多核时代，编程的免费午餐没有了。如果程序不能用并发挤干每个核的运算性能，那就意谓着会被淘汰。对软件如此，对语言也是一样。那 Python 对此的策略呢？
　　Python 的应对很简单，以不变应万变。在最新的 python 3 中依然有 GIL。之所以不去掉，原因嘛，不外以下几点：

• 欲练神功，挥刀自宫：CPython 的 GIL 本意是用来保护所有全局的解释器和环境状态变量的。如果去掉 GIL，就需要多个更细粒度的锁对解释器的众多全局状态进行保护。或者采用 Lock-Free 算法。无论哪一种，要做到多线程安全都会比单使用 GIL 一个锁要难的多。而且改动的对象还是有 20 年历史的 CPython 代码树，更不论有这么多第三方的扩展也在依赖 GIL。对 Python 社区来说，这不异于挥刀自宫，重新来过。
  
• 就算自宫，也未必成功：有位牛人曾经做了一个验证用的 CPython，将 GIL 去掉，加入了更多的细粒度锁。但是经过实际的测试，对单线程程序来说，这个版本有很大的性能下降，只有在利用的物理 CPU 超过一定数目后，才会比 GIL 版本的性能好。这也难怪。单线程本来就不需要什么锁。单就锁管理本身来说，锁 GIL 这个粗粒度的锁肯定比管理众多细粒度的锁要快的多。而现在绝大部分的 python 程序都是单线程的。再者，从需求来说，使用 python 绝不是因为看中它的运算性能。就算能利用多核，它的性能也远不可能和 C/C++ 比肩。费了大力气把 GIL 拿掉，反而让大部分的程序都变慢了，这不是南辕北辙吗。
  
• 难道 Python 这么优秀的语言真的仅仅因为改动困难和意义不大就放弃多核时代了吗？其实，不做改动最最重要的原因还在于：不用自宫，也一样能成功！
  

　　除了切掉 GIL 外，果然还有方法让 Python 在多核时代活的滋润？让我们回到本文最初的那个问题：如何能让这个死循环的 Python 脚本在双核机器上占用 100％ 的 CPU？其实最简单的答案应该是：运行两个 python 死循环的程序，也就是说，用两个分别占满一个 CPU 内核的 python 进程来做到。确实，多进程也是利用多个 CPU 的好方法。只是进程间内存地址空间独立，互相协同通信要比多线程麻烦很多。有感于此，Python 在 2.6 里新引入了 multiprocessing 这个多进程标准库，让多进程的 python 程序编写简化到类似多线程的程度，大大减轻了 GIL 带来的不能利用多核的尴尬。